Des physiciens de l'ETH Zurich ont démontré un lien quantique hyperfréquence de cinq mètres de long, le plus long du genre à ce jour. Il peut être utilisé à la fois pour les futurs réseaux informatiques quantiques et pour des expériences de recherche fondamentale en physique quantique.

La collaboration est tout, même dans le monde quantique. Pour construire de puissants ordinateurs quantiques à l'avenir, il faudra connecter plusieurs ordinateurs plus petits pour former une sorte de cluster ou de réseau local (LAN). Étant donné que ces ordinateurs fonctionnent avec des états de superposition de mécanique quantique, qui contiennent les valeurs logiques "0" et "1" à la fois, les liens entre eux devraient également être des "liens quantiques".

Le plus long lien de ce type à ce jour basé sur les micro-ondes, à cinq mètres de long, a été récemment construit dans le laboratoire d'Andreas Wallraff, professeur au Quantum Device Lab de l'ETH Zurich. Les chercheurs devaient présenter leurs résultats à la réunion annuelle de l'American Physical Society à Denver. En raison de la situation épidémique du COVID-19, cette conférence a été annulée à bref délai. Au lieu, les scientifiques présentent maintenant leurs résultats lors d'une conférence virtuelle de substitution.

"C'est vraiment une étape importante pour nous, " Wallraff explique, "Depuis maintenant, nous pouvons montrer que les LAN quantiques sont en principe possibles. Dans les 10 à 20 prochaines années, les ordinateurs quantiques s'appuieront probablement de plus en plus sur eux. » Actuellement, il existe des ordinateurs avec quelques dizaines de bits quantiques ou qubits, mais plusieurs centaines de milliers d'entre eux sont quasiment impossibles à loger dans les dispositifs existants. Une des raisons à cela est que les qubits basés sur des oscillateurs électriques supraconducteurs, comme celles utilisées dans les puces quantiques du laboratoire de Wallraff (et aussi par IBM et Google), doivent être refroidis à des températures proches du zéro absolu de -273, 15 degrés Celsius. Cela supprime les perturbations thermiques qui feraient perdre aux états quantiques leur propriété de superposition - c'est ce qu'on appelle la décohérence - et donc les erreurs dans les calculs quantiques se produisent.

Froid extrême contre décohérence

"Le défi était de connecter deux de ces puces quantiques supraconductrices de manière à pouvoir échanger des états de superposition entre elles avec une décohérence minimale, " dit Philipp Kurpiers, un ancien Ph.D. étudiant dans le groupe de Wallraff. Cela se produit au moyen de photons micro-ondes émis par un oscillateur supraconducteur et reçus par un autre. Entre, ils volent à travers un guide d'ondes, qui est une cavité métallique de quelques centimètres de largeur, qui doit également être fortement refroidi pour que les états quantiques des photons ne soient pas influencés.

Chacune des puces quantiques est refroidie pendant plusieurs jours dans un cryostat (un réfrigérateur extrêmement puissant), utilisant de l'hélium comprimé mais aussi liquide, à quelques centièmes de degré au-dessus du zéro absolu. À cette fin, le guide d'ondes de cinq mètres qui crée le lien quantique était équipé d'une coque constituée de plusieurs couches de feuille de cuivre. Chacune de ces feuilles agit comme un bouclier thermique pour les différents étages de température du cryostat :-223 degrés, -269 degrés, -272 degrés et enfin -273, 1 degrés. Tout à fait, ces boucliers thermiques pèsent à eux seuls environ un quart de tonne.

Pas d'expérience "sur table"

"Donc, ce n'est définitivement plus une expérience "sur table" que l'on peut monter sur un petit établi, " Wallraff dit. " Beaucoup de travail de développement a été consacré à cela, et ETH est un endroit idéal pour construire un appareil aussi ambitieux. C'est une sorte de mini-CERN qu'il a d'abord fallu construire sur plusieurs années pour pouvoir faire des choses intéressantes avec maintenant. » En dehors des trois doctorants qui ont réalisé les expériences, plusieurs ingénieurs et techniciens, également dans les ateliers de l'ETH et de l'Institut Paul Scherrer (PSI), ont participé à la production et à la construction du lien quantique.

Les physiciens de l'ETH ont non seulement montré que le lien quantique peut être suffisamment refroidi, mais aussi qu'il peut effectivement être utilisé pour transmettre de manière fiable des informations quantiques entre deux puces quantiques. Pour le démontrer, ils ont créé un état intriqué entre les deux puces via le lien quantique. De tels états enchevêtrés, dans lequel la mesure d'un qubit influence instantanément le résultat d'une mesure sur l'autre qubit, peut également être utilisé pour des tests en recherche quantique fondamentale. Dans ces "tests de Bell, " les qubits doivent être suffisamment éloignés les uns des autres, de sorte que tout transfert d'informations à la vitesse de la lumière peut être exclu.

Pendant que Wallraff et ses collaborateurs effectuent des expériences avec le nouveau lien, ils ont déjà commencé à travailler sur des liens quantiques encore plus longs. Il y a déjà un an, ils étaient capables de refroidir suffisamment une liaison de dix mètres, mais sans faire d'expériences quantiques avec. Maintenant, ils travaillent sur un lien quantique de 30 mètres, pour laquelle une salle à l'ETH a été spécialement préparée.