Parmi les nombreuses approches divergentes de la construction d'un ordinateur quantique pratique, l'une des voies les plus prometteuses mène vers les pièges à ions. Dans ces pièges, les ions simples sont immobilisés et servent d'unités de base de données, ou qubits, de l'ordinateur. A l'aide de lasers, ces qubits interagissent entre eux pour effectuer des opérations logiques.

Les expériences en laboratoire avec un petit nombre d'ions piégés fonctionnent bien, mais il reste encore beaucoup de travail à faire pour comprendre les éléments de base d'un ordinateur quantique à piège à ions évolutif. Quel type d'ions faut-il utiliser ? Quelles technologies seront capables de contrôler, manipuler, et lire les informations quantiques stockées dans ces ions ?

Pour répondre à ces questions, Les chercheurs du MIT Lincoln Laboratory se sont tournés vers un couple prometteur :les ions calcium (Ca) et strontium (Sr). Dans un article publié dans npj Quantum Information, l'équipe décrit l'utilisation de ces ions pour effectuer des opérations de logique quantique et les trouve favorables pour plusieurs architectures informatiques quantiques. Parmi leurs avantages, ces ions peuvent être manipulés en utilisant la lumière visible et infrarouge, contrairement à l'ultraviolet, qui est nécessaire par de nombreux types d'ions utilisés dans les expériences. Contrairement à la lumière ultraviolette, une technologie capable de fournir de la lumière visible et infrarouge à un large éventail d'ions piégés existe déjà.

« Quel type d'architecture de traitement de l'information quantique est réalisable pour les ions piégés ? S'il s'avère qu'il sera beaucoup plus difficile d'utiliser une certaine espèce d'ions, il serait important de savoir dès le début, avant de t'engager loin dans ce chemin, " dit Jean Chiaverini, cadres supérieurs du groupe Information quantique et nanosystèmes intégrés. "Nous pensons que nous n'aurons pas à inventer un tout nouveau système d'ingénierie, et ne pas résoudre un tout nouveau groupe de problèmes, en utilisant ces espèces d'ions."

Froid et calculateur

Pour piéger les ions, les scientifiques commencent avec une chambre à vide en acier, abritant des électrodes sur une puce refroidie à près de 450 degrés en dessous de zéro Fahrenheit. Les atomes de Ca et de Sr affluent dans la chambre. De multiples lasers frappent des électrons des atomes, transformer les atomes de Ca et de Sr en ions. Les électrodes génèrent des champs électriques qui captent les ions et les maintiennent à 50 micromètres au-dessus de la surface de la puce. D'autres lasers refroidissent les ions, les maintenir dans le piège.

Puis, les ions sont réunis pour former un cristal de Ca+/Sr+. Chaque type d'ion joue un rôle unique dans ce partenariat. L'ion Sr abrite le qubit pour le calcul. Résoudre un problème, un ordinateur quantique veut connaître le niveau d'énergie, ou état quantique, de l'électron le plus externe d'un ion. L'électron pourrait être dans son niveau d'énergie le plus bas ou son état fondamental (noté), un niveau d'énergie plus élevé ou un état excité (noté), ou les deux états à la fois. Cette étrange capacité d'être dans plusieurs états simultanément s'appelle la superposition, et c'est ce qui donne aux ordinateurs quantiques le pouvoir d'essayer de nombreuses solutions possibles à un problème à la fois.

Mais la superposition est difficile à maintenir. Une fois qu'un qubit est observé, par exemple, en utilisant la lumière laser pour voir dans quel niveau d'énergie se trouve son électron, il s'effondre en un ou en zéro. Pour faire un ordinateur quantique pratique, les scientifiques doivent concevoir des moyens de mesurer les états d'un seul sous-ensemble des qubits de l'ordinateur sans perturber l'ensemble du système.

Ce besoin nous ramène au rôle de l'ion Ca, le qubit auxiliaire. Avec une masse similaire à l'ion Sr, il enlève de l'énergie supplémentaire à l'ion Sr pour le garder au frais et l'aider à maintenir ses propriétés quantiques. Les impulsions laser poussent alors les deux ions dans l'enchevêtrement, formant une porte à travers laquelle l'ion Sr peut transférer son information quantique à l'ion Ca.

"Lorsque deux qubits sont intriqués, leurs états dépendent les uns des autres. Ils sont soi-disant "corrélés de façon effrayante, '", a déclaré Chiaverini. Cette corrélation signifie que la lecture de l'état d'un qubit vous indique l'état de l'autre. Pour lire cet état, les scientifiques interrogent l'ion Ca avec un laser à une longueur d'onde avec laquelle seul l'électron de l'ion Ca va interagir, laissant l'ion Sr inchangé. Si l'électron est dans l'état fondamental, il émettra des photons, qui sont collectées par les détecteurs. L'ion restera sombre s'il est dans un état métastable excité.

"Ce qui est bien dans l'utilisation de cet ion auxiliaire pour la lecture, c'est que nous pouvons utiliser des longueurs d'onde qui n'ont pas d'impact sur les ions de calcul qui l'entourent ; l'information quantique reste saine. Alors, l'ion auxiliaire remplit une double fonction ; il supprime l'énergie thermique de l'ion Sr et a une faible diaphonie lorsque je veux lire ce seul qubit, " dit Colin Bruzewicz, qui a construit le système et dirigé l'expérimentation.

La fidélité de l'intrication Ca+/Sr+ dans leur expérience était de 94 %. La fidélité est la probabilité que la porte entre les deux qubits produise l'état quantique auquel on s'attendait - que l'intrication ait fonctionné. La fidélité de ce système est suffisamment élevée pour démontrer la fonctionnalité de base de la logique quantique, mais pas encore assez élevé pour un ordinateur quantique entièrement corrigé des erreurs. L'équipe a également intriqué des ions dans différentes configurations, comme les deux ions aux extrémités d'une chaîne Sr+/Ca+/Sr+, avec la même fidélité.

Une correspondance de longueur d'onde

Actuellement, la configuration du piège à ions est grande et chorégraphie l'utilisation de 12 lasers de couleurs différentes. Ces lasers traversent les fenêtres de la chambre cryogénique et visent à frapper les ions. Un ordinateur quantique pratique, qui peut mieux résoudre les problèmes qu'un ordinateur classique, aura besoin d'un réseau de milliers, voire de millions d'ions. Dans ce scénario, il serait pratiquement impossible de frapper précisément les bons ions sans perturber les états quantiques des ions voisins. Les chercheurs du Lincoln Laboratory travaillent depuis plusieurs années sur un moyen de faire passer les lasers à travers des "grilles" dans la puce au-dessus de laquelle les ions planent. Cette puce photonique intégrée simplifie à la fois la configuration et garantit que le bon laser atteint la cible visée. L'année dernière, l'équipe a réalisé la toute première démonstration réussie d'un système à faibles pertes, plate-forme photonique intégrée avec une distribution de lumière allant du spectre visible à l'infrarouge.

Idéalement, les longueurs d'onde nécessaires au refroidissement des ions Ca et Sr, les enchevêtrer, et les lire tous entrent dans ce même spectre. Ce chevauchement simplifie les exigences laser du système, contrairement à d'autres paires d'ions qui nécessitent chacune des longueurs d'onde très différentes. "Ces ions se prêtent à être utilisés avec la photonique intégrée. Ils correspondent à la longueur d'onde. Il est logique de les utiliser pour l'ingénierie, ", dit Bruzewicz.

En outre, de nombreux types d'ions piégés que les scientifiques quantiques explorent ont besoin de lumière ultraviolette pour être excités. Mais la lumière ultraviolette peut être difficile à utiliser. Les guides d'ondes et autres dispositifs photoniques qui transportent la lumière vers les ions ont tendance à perdre une partie de la lumière en cours de route. Fournir de la lumière ultraviolette à des systèmes à ions piégés à grande échelle nécessiterait beaucoup plus de puissance, ou l'ingénierie de nouveaux matériaux qui subissent moins de pertes.

"C'est beaucoup plus simple de travailler avec cette lumière que l'ultraviolet, surtout quand vous commencez à rassembler beaucoup de ces ions. Mais c'est le défi :personne ne sait réellement quel type d'architecture permettra un calcul quantique utile. Le jury est toujours dehors, " Chiaverini réfléchit. " Dans ce cas, nous réfléchissons à ce qui pourrait être le plus avantageux pour étendre un système. Ces ions s'y prêtent très bien."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.