Les scientifiques du Joint Quantum Institute (JQI) ont constamment amélioré les performances des systèmes de pièges à ions, une plate-forme de premier plan pour les futurs ordinateurs quantiques. Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par les boursiers JQI Norbert Linke et Christopher Monroe a réalisé une expérience clé sur cinq bits quantiques à base d'ions, ou qubits. Ils ont utilisé des impulsions laser pour créer simultanément des connexions quantiques entre différentes paires de qubits – la première fois que ce type d'opérations parallèles était exécuté dans un piège à ions. La nouvelle étude, qui est une étape critique vers le calcul quantique à grande échelle, a été publié le 24 juillet dans la revue La nature .

« En ce qui concerne les exigences de mise à l'échelle d'un ordinateur quantique, ions piégés cochez toutes les cases, " dit Monroe, qui est également professeur Bice-Sechi Zorn au département de physique de l'UMD et co-fondateur de la startup d'informatique quantique IonQ. "Le fait de faire fonctionner ces opérations parallèles illustre davantage que l'avancement des processeurs quantiques à pièges ioniques n'est pas limité par la physique des qubits et est plutôt lié à l'ingénierie de leurs contrôleurs."

Les pièges à ions sont des dispositifs pour capturer des atomes et des molécules chargés, et ils sont couramment déployés pour l'analyse chimique. Au cours des dernières décennies, les physiciens et les ingénieurs ont combiné des pièges à ions avec des systèmes laser sophistiqués pour exercer un contrôle sur des ions atomiques uniques. Aujourd'hui, ce type de matériel est l'un des plus prometteurs pour la construction d'un ordinateur quantique universel.

Le piège à ions JQI utilisé dans cette étude est constitué d'électrodes recouvertes d'or, qui transportent les champs électriques qui confinent les ions ytterbium. Les ions sont pris au milieu du piège où ils forment une ligne, chacun séparé de son voisin de quelques microns. Cette configuration permet aux chercheurs d'avoir un contrôle précis sur les ions individuels et de les configurer en qubits.

Chaque ion a des niveaux d'énergie internes ou des états quantiques qui sont naturellement isolés des influences extérieures. Cette caractéristique les rend idéales pour stocker et contrôler des informations quantiques, ce qui est notoirement délicat. Dans cette expérience, l'équipe de recherche utilise deux de ces états, appelé "0" et "1, " comme le qubit.

Les chercheurs dirigent des impulsions laser sur une chaîne de qubits pour exécuter des programmes sur cet ordinateur quantique à petite échelle. Les programmes, aussi appelés circuits, sont décomposés en un ensemble de portes à un et deux qubits. Une porte à un seul qubit peut, par exemple, basculer l'état d'un ion de 1 à 0. C'est une tâche simple pour une impulsion laser. Une porte à deux qubits nécessite des impulsions plus sophistiquées car elle implique d'adapter les interactions entre les qubits. Certaines opérations à deux qubits peuvent créer un enchevêtrement - une connexion quantique nécessaire au calcul quantique - entre deux qubits.

Jusqu'à maintenant, les circuits des ordinateurs quantiques à piège à ions ont été limités à une séquence de portes individuelles, l'un après l'autre. Avec cette nouvelle démonstration, les chercheurs peuvent maintenant faire des portes à deux qubits en parallèle, créant un enchevêtrement entre différentes paires d'ions simultanément. L'équipe de recherche y est parvenue en optimisant les séquences d'impulsions laser utilisées pour effectuer les opérations, en veillant à annuler les interactions laser-qubit indésirables. De cette façon, ils ont réussi à mettre en œuvre avec succès des portes d'intrication simultanées sur deux paires d'ions distinctes.

Selon les auteurs, des portes d'enchevêtrement parallèles permettront aux programmes de corriger les erreurs lors d'un calcul quantique - une exigence presque certaine dans les ordinateurs quantiques avec beaucoup plus de qubits. En outre, un ordinateur quantique qui prend en compte de grands nombres ou simule la physique quantique aura probablement besoin d'opérations d'intrication parallèles pour obtenir un avantage de vitesse par rapport aux ordinateurs conventionnels.