Des physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont téléporté une instruction de circuit informatique connue sous le nom d'opération de logique quantique entre deux ions séparés (atomes chargés électriquement), montrant comment les programmes informatiques quantiques pourraient effectuer des tâches dans les futurs réseaux quantiques à grande échelle.

La téléportation quantique transfère des données d'un système quantique (comme un ion) à un autre (comme un deuxième ion), même si les deux sont complètement isolés l'un de l'autre, comme deux livres dans les sous-sols de bâtiments séparés. Dans cette forme réelle de téléportation, uniquement des informations quantiques, pas important, est transporté, par opposition à la version Star Trek de "transmettre" des êtres humains entiers à partir de, dire, un vaisseau spatial à une planète.

La téléportation de données quantiques a déjà été démontrée avec des ions et une variété d'autres systèmes quantiques. Mais le nouveau travail est le premier à téléporter une opération de logique quantique complète utilisant des ions, un candidat de premier plan pour l'architecture des futurs ordinateurs quantiques. Les expériences sont décrites dans le numéro du 31 mai de Science .

« Nous avons vérifié que notre opération logique fonctionne sur tous les états d'entrée de deux bits quantiques avec une probabilité de 85 à 87 %, loin d'être parfait, mais c'est un début, ", a déclaré Dietrich Leibfried, physicien du NIST.

Un ordinateur quantique grandeur nature, si l'on peut être construit, pourrait résoudre certains problèmes actuellement insolubles. Le NIST a contribué aux efforts de recherche mondiaux pour exploiter le comportement quantique pour des technologies pratiques, y compris les efforts pour construire des ordinateurs quantiques.

Pour que les ordinateurs quantiques fonctionnent comme espéré, ils auront probablement besoin de millions de bits quantiques, ou "qubits, " ainsi que des moyens d'effectuer des opérations entre qubits répartis sur des machines et des réseaux à grande échelle. La téléportation d'opérations logiques est un moyen de le faire sans connexions mécaniques quantiques directes (des connexions physiques pour l'échange d'informations classiques seront toujours nécessaires).

L'équipe du NIST a téléporté une opération logique à contrôle quantique NON (CNOT), ou porte logique, entre deux qubits d'ions béryllium distants de plus de 340 micromètres (millionièmes de mètre) dans des zones distinctes d'un piège à ions, une distance qui exclut toute interaction directe substantielle. Une opération CNOT retourne le deuxième qubit de 0 à 1, ou vice versa, seulement si le premier qubit est 1 ; rien ne se passe si le premier qubit est 0. De manière quantique typique, les deux qubits peuvent être dans des "superpositions" dans lesquelles ils ont les valeurs 1 et 0 en même temps.

Le processus de téléportation du NIST repose sur l'enchevêtrement, qui relie les propriétés quantiques des particules même lorsqu'elles sont séparées. Une paire « messager » d'ions magnésium intriqués est utilisée pour transférer des informations entre les ions béryllium (voir infographie).

L'équipe du NIST a découvert que son processus CNOT téléporté enchevêtrait les deux ions magnésium - une première étape cruciale - avec un taux de réussite de 95%, tandis que l'opération logique complète réussissait 85 à 87 % du temps.

"La téléportation de porte nous permet d'effectuer une porte logique quantique entre deux ions qui sont spatialement séparés et qui n'ont peut-être jamais interagi auparavant, " Leibfried a dit. " L'astuce est qu'ils ont chacun un ion d'une autre paire enchevêtrée à leurs côtés, et cette ressource d'enchevêtrement, distribué devant la porte, nous permet de faire un tour quantique qui n'a pas d'équivalent classique."

"Les paires de messagers enchevêtrées pourraient être produites dans une partie dédiée de l'ordinateur et expédiées séparément à des qubits qui doivent être connectés à une porte logique mais qui se trouvent dans des emplacements distants, " ajouta Leibfried.

Les travaux du NIST également intégrés dans une expérience unique, pour la première fois, plusieurs opérations qui seront indispensables à la construction d'ordinateurs quantiques à grande échelle à base d'ions, y compris le contrôle de différents types d'ions, transport d'ions, et des opérations d'enchevêtrement sur des sous-ensembles sélectionnés du système.

Pour vérifier qu'ils ont effectué une porte CNOT, les chercheurs ont préparé le premier qubit dans 16 combinaisons différentes d'états d'entrée, puis ont mesuré les sorties sur le deuxième qubit. Cela a produit une "table de vérité" quantique généralisée montrant le processus qui a fonctionné.

En plus de générer une table de vérité, les chercheurs ont vérifié la cohérence des données sur des durées d'exécution prolongées pour aider à identifier les sources d'erreur dans la configuration expérimentale. Cette technique devrait être un outil important pour caractériser les processus d'information quantique dans les expériences futures.