Les physiciens de l'Institut national des normes et de la technologie ont renforcé leur contrôle des propriétés fondamentales des molécules au niveau quantique en liant ou « enchevêtrer » un atome chargé électriquement et une molécule chargée électriquement, présentant un moyen de construire des systèmes d'information quantiques hybrides qui pourraient manipuler, stocker et transmettre différentes formes de données.

Décrit dans un La nature article mis en ligne le 20 mai, la nouvelle méthode NIST pourrait aider à construire des ordinateurs et des réseaux quantiques à grande échelle en connectant des bits quantiques (qubits) sur la base de conceptions matérielles et de fréquences de fonctionnement autrement incompatibles. Les systèmes quantiques à plate-forme mixte pourraient offrir une polyvalence comme celle des systèmes informatiques conventionnels, lequel, par exemple, peut échanger des données entre un processeur électronique, un disque optique, et un disque dur magnétique.

Les expériences du NIST ont réussi à enchevêtrer les propriétés d'un électron dans l'ion atomique avec les états de rotation de la molécule de sorte que les mesures d'une particule contrôlent les propriétés de l'autre. La recherche s'appuie sur la démonstration du même groupe en 2017 du contrôle quantique d'une molécule, qui a étendu les techniques utilisées depuis longtemps pour manipuler les atomes à l'arène plus compliquée et potentiellement plus fructueuse offerte par les molécules, composé de plusieurs atomes liés entre eux.

Les molécules ont différents niveaux d'énergie interne, comme les atomes, mais aussi tourner et vibrer à de nombreuses vitesses et angles différents. Les molécules pourraient donc jouer le rôle de médiateurs dans les systèmes quantiques en convertissant les informations quantiques sur une large gamme de fréquences qubit allant de quelques milliers à quelques milliers de milliards de cycles par seconde. Avec vibrations, les molécules pourraient offrir des fréquences qubit encore plus élevées.

"Nous avons prouvé que l'ion atomique et l'ion moléculaire sont intriqués, et nous avons également montré que vous obtenez une large sélection de fréquences qubit dans la molécule, " Le physicien du NIST James (Chin-wen) Chou a déclaré.

Un qubit représente les bits de données numériques 0 et 1 en termes de deux états quantiques différents, tels que les niveaux d'énergie faible et élevé dans un atome. Un qubit peut également exister dans une "superposition" des deux états à la fois. Les chercheurs du NIST ont enchevêtré deux niveaux d'énergie d'un ion atomique de calcium avec deux paires différentes d'états de rotation d'un ion moléculaire d'hydrure de calcium, qui est un ion calcium lié à un atome d'hydrogène. Le qubit moléculaire avait une fréquence de transition - la vitesse de cycle entre deux états de rotation - de faible énergie à 13,4 kilohertz (kHz, milliers de cycles par seconde) ou à haute énergie à 855 milliards de cycles par seconde (gigahertz ou GHz).

"Les molécules fournissent une sélection de fréquences de transition et nous pouvons choisir parmi de nombreux types de molécules, il s'agit donc d'une vaste gamme de fréquences qubit que nous pouvons apporter à la science de l'information quantique, " a déclaré Chou. "Nous profitons des transitions trouvées dans la nature afin que les résultats soient les mêmes pour tout le monde."

Les expériences ont utilisé une formule spécifique de faisceaux laser bleus et infrarouges de différentes intensités, orientations et séquences d'impulsions à refroidir, enchevêtrer et mesurer les états quantiques des ions.

D'abord, les chercheurs du NIST ont piégé et refroidi les deux ions à leurs états d'énergie les plus bas. La paire se repoussait en raison de leur proximité physique et de leurs charges électriques positives, et la répulsion a agi comme un ressort bloquant leur mouvement. Les impulsions laser ont ajouté de l'énergie à la rotation de la molécule et ont créé une superposition d'états de rotation à basse et haute énergie, qui a également déclenché un mouvement partagé, alors les deux ions ont commencé à se balancer ou à se balancer à l'unisson, dans ce cas dans des directions opposées.

La rotation de la molécule était ainsi intriquée avec son mouvement. Plus d'impulsions laser ont exploité le mouvement partagé des deux ions pour induire l'ion atomique dans une superposition de niveaux d'énergie bas et élevés. De cette façon, l'intrication a été transférée du mouvement pour englober l'atome. Les chercheurs ont déterminé l'état de l'ion atomique en braquant un laser dessus et en mesurant sa fluorescence, ou combien de lumière il a dispersé.

Les chercheurs du NIST ont démontré la technique avec deux ensembles de propriétés rotationnelles de la molécule, réussir l'intrication 87 % du temps avec une paire à faible énergie (qubit) et 76 % du temps avec une paire à plus haute énergie. Dans le cas de basse énergie, la molécule a tourné à deux angles légèrement différents, comme un haut, mais dans les deux états à la fois. Dans le cas de haute énergie, la molécule tournait à deux vitesses simultanément, séparés par une grande différence de vitesse.

Le nouveau travail a été rendu possible par les techniques de logique quantique présentées dans l'expérience de 2017. Les chercheurs ont appliqué des impulsions de lumière laser infrarouge pour entraîner la commutation entre deux des plus de 100 états de rotation possibles de la molécule. Les chercheurs savaient que cette transition s'était produite parce qu'une certaine quantité d'énergie était ajoutée au mouvement partagé des deux ions. Les chercheurs savaient que les ions étaient intriqués sur la base des signaux lumineux émis par l'ion atomique.

Les nouvelles méthodes pourraient être utilisées avec une large gamme d'ions moléculaires composés de différents éléments, offrant une large sélection de propriétés de qubit.

L'approche pourrait connecter différents types de qubits fonctionnant à différentes fréquences, comme les atomes et les systèmes supraconducteurs ou les particules légères, y compris ceux des télécommunications et des composants micro-ondes. En plus des applications en information quantique, les nouvelles techniques peuvent également être utiles pour fabriquer des capteurs quantiques ou effectuer une chimie quantique améliorée.