Pour la première fois, les chercheurs ont conçu un registre informatique quantique d'ions piégés de 32 qubits entièrement connecté fonctionnant à des températures cryogéniques. Le nouveau système représente une étape importante vers le développement d'ordinateurs quantiques pratiques.

Junki Kim de Duke University présentera la nouvelle conception matérielle lors de la conférence inaugurale OSA Quantum 2.0 qui se déroulera en tant qu'événement entièrement virtuel avec la conférence OSA Frontiers in Optics and Laser Science APS/DLS (FiO + LS) du 14 au 17 septembre. .

Au lieu d'utiliser des bits informatiques traditionnels qui ne peuvent être qu'un zéro ou un, les ordinateurs quantiques utilisent des qubits qui peuvent être dans une superposition d'états de calcul. Cela permet aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes trop complexes pour les ordinateurs traditionnels.

Les ordinateurs quantiques à ions piégés font partie des technologies quantiques les plus prometteuses pour l'informatique quantique, mais il a été difficile de créer ces ordinateurs avec suffisamment de qubits pour une utilisation pratique.

"En collaboration avec l'Université du Maryland, nous avons conçu et construit plusieurs générations d'ordinateurs quantiques à piège à ions entièrement programmables, " a déclaré Kim. " Ce système est le dernier en date dans le cadre duquel de nombreux défis menant à la fiabilité à long terme sont abordés de front. "

Faire évoluer les ordinateurs quantiques

Les ordinateurs quantiques à ions piégés refroidissent les ions à des températures extrêmement basses, ce qui leur permet d'être suspendus dans un champ électromagnétique dans un ultra-vide puis manipulés avec des lasers précis pour former des qubits.

Jusqu'ici, atteindre des performances de calcul élevées dans les systèmes de pièges à ions à grande échelle a été entravé par les collisions avec des molécules de fond perturbant la chaîne ionique, instabilité des faisceaux laser pilotant les portes logiques vues par l'ion, et le bruit de champ électrique provenant des électrodes de piégeage agitant le mouvement de l'ion souvent utilisé pour créer un enchevêtrement.

Dans le nouveau travail, Kim et ses collègues ont relevé ces défis en incorporant des approches radicalement nouvelles. Les ions sont piégés dans une enceinte localisée à ultra-vide à l'intérieur d'un cryostat à cycle fermé refroidi à des températures de 4K, avec un minimum de vibrations. Cette disposition élimine la perturbation de la chaîne qubit résultant des collisions avec les molécules résiduelles de l'environnement, et supprime fortement le chauffage anormal de la surface du piège.

Pour obtenir des profils de faisceau laser propres et minimiser les erreurs, les chercheurs ont utilisé une fibre à cristal photonique pour connecter diverses parties du système optique Raman qui pilote les portes qubit, les éléments constitutifs des circuits quantiques. En outre, les systèmes laser délicats nécessaires au fonctionnement des ordinateurs quantiques sont conçus pour être retirés de la table optique et installés dans des racks d'instruments. Les faisceaux laser sont ensuite délivrés au système dans des fibres optiques monomodes. Ils ont adopté de nouvelles façons de concevoir et de mettre en œuvre des systèmes optiques qui éliminent fondamentalement les instabilités mécaniques et thermiques pour créer une configuration laser clé en main pour les ordinateurs quantiques à ions piégés.

Les chercheurs ont démontré que le système est capable de charger automatiquement à la demande des chaînes de qubits ioniques, et peut effectuer des manipulations de qubit simples en utilisant des champs micro-ondes. L'équipe fait de solides progrès dans la mise en œuvre de portes enchevêtrées, d'une manière qui peut évoluer jusqu'à 32 qubits complets.

Dans les travaux futurs, et en collaboration avec des informaticiens et des chercheurs en algorithmes quantiques, l'équipe prévoit d'intégrer un logiciel spécifique au matériel avec le matériel informatique quantique à ions piégés. Le système entièrement intégré, composé de qubits à ions piégés entièrement connectés et de logiciels spécifiques au matériel, jettera les bases d'ordinateurs quantiques pratiques à ions piégés.