Assemblage de motifs d'atomes :une distribution initiale d'atomes avec des défauts est transférée dans un cluster cible de 100 atomes sans défaut via le transport d'un seul atome. Crédit :Gerhard Birkl
Des chercheurs de la Technische Universität Darmstadt ont récemment démontré l'assemblage sans défaut de modèles cibles polyvalents de jusqu'à 111 systèmes quantiques à un seul atome. Leurs découvertes, décrit dans un article publié dans Lettres d'examen physique , pourrait conduire les architectures à atomes assemblés au-delà du seuil de l'avantage quantique, ouvrant la voie à de nouvelles percées dans la science et la technologie quantiques.
"Notre recherche est motivée par l'observation que les sciences physiques sont en plein milieu d'un changement de paradigme dans lequel l'application de la physique quantique, c'est-à-dire les technologies quantiques, deviennent les technologies de pointe dans un avenir proche, " Gerhard Birkl, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Une vaste liste d'applications est déjà prévisible mais je suis convaincu que pour la plupart des applications, nous n'en avons même pas connaissance.
La prochaine étape pour le domaine de la science et de la technologie quantiques est le développement de plates-formes expérimentales offrant une évolutivité étendue, corrélations quantiques multisites et correction efficace des erreurs quantiques. Au cours du siècle dernier environ, les chercheurs ont effectué un travail considérable sur des systèmes quantiques uniques, jeter les bases des développements actuels. Les systèmes quantiques atomiques ont joué un rôle clé dans ces études, atomes particulièrement neutres piégés par la lumière, car ils fournissent des systèmes quantiques bien isolés avec une échelle favorable.
"Pour les prochaines générations de technologies quantiques, aller à plusieurs systèmes quantiques, c'est-à-dire que l'augmentation de la taille du système est cruciale, ", a déclaré Birkl. "Pour cette raison, nous nous sommes donnés la directive de développer une nouvelle plate-forme qui fournit des architectures hautement évolutives pour les systèmes quantiques atomiques avec un contrôle total de tous les paramètres pertinents pour faire progresser les technologies quantiques de pointe."
Lors de l'élaboration de la base technologique de leur expérimentation, Birkl et ses étudiants qui ont participé à l'étude se sont concentrés sur des atomes neutres refroidis par laser avec des pièges optiques, car ceux-ci bénéficient des percées scientifiques des 25 dernières années. Ces percées comprennent le refroidissement et le piégeage au laser, condensation de Bose-Einstein, la manipulation de systèmes quantiques individuels, et pinces optiques.
"Finalement, nous avons réalisé que la combinaison de ces développements scientifiques avec des technologies optiques avancées telles que la microfabrication de réseaux de microlentilles à grande échelle génère une plate-forme idéale pour l'avancement des technologies quantiques évolutives, " a déclaré Birkl. " Au cœur de notre travail, nous appliquons une nouvelle architecture expérimentale dans laquelle nous générons un modèle 2D de pièges optiques pour les atomes neutres basé sur des réseaux 2D de microlentilles. "
À l'aide d'un large faisceau laser qui éclaire de nombreuses lentilles, les chercheurs ont pu générer plusieurs pièges laser simultanément. Ils ont généré jusqu'à 400 de ces pièges en parallèle et ont ensuite pu les traiter individuellement.
Leur expérience comportait plusieurs étapes. Birkl et ses collègues ont commencé par créer un nuage d'atomes de rubidium dans un système de vide à température ambiante, à l'aide d'un piège magnéto-optique (MOT). Cela leur a permis de générer plusieurs millions d'atomes de rubidium à une température d'environ 100 microKelvin. Ensuite, ils ont activé le schéma des pièges laser et transféré des atomes dans ces pièges, avec un maximum de 1 atome par piège.
Partie centrale du dispositif expérimental pour l'arrangement des atomes de rubidium dans des motifs cibles 2D sans défaut. La lumière laser bleue est utilisée pour initier des opérations quantiques cohérentes. Crédit :Gerhard Birkl
"Nous avons généré des modèles constitués de sites pièges avec exactement un ou zéro atome, " expliqua Birkl. " Ensuite, nous avons pris une image du motif et cela nous a permis d'identifier les sites occupés (qui ne nécessitaient aucune autre action) et les sites vides."
Une fois qu'ils ont déterminé quels sites étaient occupés et lesquels vacants, les chercheurs ont rempli tous les sites vides; récupérer un seul atome d'un site rempli à l'extérieur du motif cible et le transporter vers un site vide dans le motif cible. Ce processus de transport a été réalisé à l'aide d'un faisceau laser à foyer unique qui pouvait se déplacer en 2D dans tout le réseau de pièges.
"Cela fonctionne comme une pince à épiler faite de lumière, pour cette raison, ils sont appelés «pinces optiques» et sont l'invention du Dr Arthur Ashkin qui a reçu une partie du prix Nobel de physique 2018 pour cette invention, " a déclaré Birkl. " Après avoir appliqué la pince à épiler pour tous les sites vides, nous prenons une autre image de la distribution des atomes et déterminons le succès du processus de génération de motifs d'atomes sans défaut. Au cas où nous aurions encore des sites vides, nous répétons le processus d'assemblage une fois de plus. Nous pouvons le faire jusqu'à 80 fois dans un essai expérimental, ce qui est une autre raison de notre succès dans la génération de grands modèles sans défaut avec une forte probabilité."
Dans leur étude, les chercheurs ont opéré un grand nombre de pièges (361), placé dans une grille carrée de 19x19, ce qui correspondait à un nombre important d'atomes simples (environ 200) et cela leur a permis de répéter le processus d'assemblage de nombreuses fois. Tous ces facteurs les ont finalement aidés à battre le précédent record d'assemblage de systèmes quantiques à un seul atome.
« L'évolutivité des systèmes physiques utilisés est essentielle pour continuer à progresser dans ce domaine, " a déclaré Birkl. "Nous avons pu augmenter considérablement la taille du motif et la probabilité de succès des systèmes basés sur des atomes neutres. Aucune expérience connexe n'a démontré plus de 72 qubits auparavant, inutile de dire plus de 100, ou même 111. Notre plate-forme a la perspective explicite d'être évolutive même bien au-delà de ces chiffres. "
La suprématie quantique nécessite généralement plus de 50 qubits, pourtant, jusqu'à présent, seules quelques expériences de technologie quantique ont réussi à dépasser ce seuil. Dans leur expérience, les chercheurs ont atteint un total de 111 qubits avec un plan clair sur la façon de dépasser encore ce nombre. C'est la preuve de l'évolutivité de leur plateforme expérimentale.
"En outre, nous pourrions entrer dans le régime de la suprématie quantique avec des taux de réussite élevés, comme nous avons démontré un taux de réussite de plus de 60% pour un motif avec 8x8 =64 qubits, " Birkl a ajouté. " Avec la durée d'un essai expérimental de 1 seconde, cela donne une nouvelle configuration sans défaut pour le traitement quantique dans le régime de suprématie quantique toutes les deux secondes."
L'étude menée par Birkl et son équipe pourrait avoir des implications importantes pour plusieurs sous-domaines de la recherche en technologie quantique, y compris la simulation quantique et l'informatique quantique. Les chercheurs prévoient maintenant d'étendre leur plate-forme à 1000 systèmes quantiques, ajoutant également la possibilité d'initier des portes quantiques à deux qubits entre les atomes pour construire un processeur quantique 2D basé sur les interactions de Rydberg. De cette façon, ils espèrent également mettre en œuvre l'informatique quantique à grande échelle et des simulations quantiques à l'aide de leur plate-forme expérimentale.
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