Dans les années récentes, des équipes de recherche du monde entier ont essayé de créer des ordinateurs quantiques à ions piégés, qui se sont jusqu'à présent avérés être parmi les systèmes les plus prometteurs pour les implémentations pratiques de l'informatique quantique. Dans ces ordinateurs, les ions piégés servent de bits quantiques qui sont intriqués afin d'effectuer des calculs avancés.

Dans une quête pour développer des ordinateurs quantiques à ions piégés évolutifs, des chercheurs de l'Université d'Oxford ont récemment mis en place une porte d'intrication à deux qubits entre deux éléments atomiques distincts, calcium et strontium. Dans leur étude, présenté dans Lettres d'examen physique , ils ont utilisé un mécanisme de porte qui ne nécessite qu'un seul laser, qu'ils avaient préalablement testés sur deux isotopes différents du calcium.

L'évolutivité (c'est-à-dire trouver des moyens d'appliquer des approches qui ont obtenu des résultats prometteurs sur quelques qubits à des milliers, voire des millions de qubits). En réalité, le simple ajout de nouveaux qubits à un système informatique quantique entraîne souvent une diminution rapide des performances, car il introduit de nouvelles erreurs et rend plus difficile l'interaction avec un seul qubit sans affecter certains des autres.

Pour surmonter ce défi, l'équipe de recherche de l'Université d'Oxford a utilisé deux méthodes connues sous le nom de modularisation et de mise en réseau optique. Essentiellement, leur objectif était d'avoir des ions dans des pièges à ions et des systèmes à vide séparés, qui ne sont connectés que par des fibres optiques.

Cette approche limite la diaphonie entre les qubits, ne retenant que les interactions souhaitables et contrôlables par les chercheurs. Cela signifie qu'une fois qu'un système qui fonctionne bien est identifié, plus de la même chose peut être ajouté, car les nouveaux n'auront pas d'impact sur les performances globales.

« Pour cette approche, mais aussi d'autres stratégies pour améliorer l'évolutivité, l'utilisation de différentes espèces d'ions est très utile, " Vera M. Schäfer, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Tout d'abord, parce que différents ions ont des forces et des faiblesses différentes. Par exemple, nous utilisons une espèce d'ion qui est une très bonne mémoire et un ion logique, ce qui signifie qu'il peut stocker des informations pendant très longtemps (50s par rapport à des dizaines de millisecondes pour les qubits d'ions piégés «normaux»), et nous obtenons de très petites erreurs lors de l'exécution des calculs avec cette espèce d'ions ; l'autre espèce est bien meilleure (et plus rapide) pour se coupler aux photons. Deuxièmement, car un problème avec les ions piégés est qu'ils se réchauffent lentement avec le temps. Si nous avons deux espèces différentes, on peut utiliser la seconde espèce pour refroidir les ions lors d'un calcul, ce qui diminue le problème de chauffage."

Utiliser différentes espèces pour réaliser des applications d'informatique quantique à ions piégés, les chercheurs devraient être en mesure de transférer des informations entre ces espèces. Cela peut être fait en produisant ce qu'on appelle une porte à deux qubits.

Dans l'une de leurs études antérieures, Schäfer, Amy Hughes et ses collègues ont réalisé avec succès une porte à deux qubits entre différents isotopes de calcium. Mettre en œuvre une telle porte entre des éléments atomiques entièrement différents, cependant, serait bien plus utile. En effet, différents éléments ont des caractéristiques très différentes et affichent des fréquences de transition distinctes.

Par conséquent, lors d'une opération sur une espèce à l'aide de la technologie laser, les autres espèces resteraient entièrement inchangées. Simultanément, cependant, comme les deux éléments peuvent aussi avoir des masses différentes, contrôler leur mouvement peut être beaucoup plus compliqué.

« Dans nos précédents travaux, nous avons effectué la grille sur deux isotopes différents du calcium avec un seul laser, ce qui était une décision tout à fait naturelle car la plupart des fréquences de transition sont encore assez proches dans différents isotopes, " a déclaré Schäfer. " Cependant, nous avons remarqué que pour le strontium, l'élément le mieux adapté pour être utilisé avec le calcium, les fréquences de transition ne sont pas si éloignées, et [nous avons pensé] que nous pourrions peut-être utiliser le même schéma qui fonctionnait pour différents isotopes pour différents éléments."

La similitude entre les fréquences de transition du calcium et du strontium a grandement simplifié le problème posé, permettant finalement aux chercheurs d'atteindre des fidélités plus élevées que celles obtenues lors de la production d'autres portes à éléments mixtes. Leur mise en œuvre réussie d'une porte d'espèces mixtes pourrait être une avancée significative dans la réalisation de l'informatique quantique à grande échelle, tout en permettant aux chercheurs d'exploiter simultanément les propriétés de deux éléments différents.

"L'idée de base derrière les portes d'enchevêtrement d'ions piégés est de créer une corrélation entre les états qubits des ions via leur mouvement, qui est fortement couplé car ils se repoussent en raison de leur charge, " a déclaré Schäfer. " La lumière laser peut se coupler au mouvement des ions et, par exemple, poussez-les dans une certaine direction. Nous pouvons appliquer une lumière laser qui se couple différemment aux ions dans des états de qubit opposés, par exemple., il poussera un ion dans l'état |1> , mais tire un ion dans l'état |0> . Ainsi, pour certaines combinaisons d'états de qubit, le mouvement commun sera annulé et pour d'autres amélioré, et nous pouvons l'utiliser pour créer un enchevêtrement."

De nombreux chercheurs qui ont précédemment mis en œuvre des portes d'enchevêtrement à deux qubits d'espèces mixtes ont utilisé différents lasers pour manipuler différents éléments. Pour faire ça, cependant, les chercheurs doivent s'assurer que les deux lasers sont bien synchronisés et calibrés afin qu'ils aient un effet similaire sur les deux espèces d'ions différentes.

Schäfer, Hughes et leurs collègues, d'autre part, n'utilisait qu'un seul laser. Cela signifie que même s'ils n'avaient pas besoin de le synchroniser d'une manière particulière, ils avaient également moins de degrés de liberté disponibles pour l'étalonnage et devaient identifier une position qui leur permettrait de coupler les deux espèces de manière similaire. Comme les cristaux d'espèces mixtes sont plus sensibles à des effets externes particuliers (par exemple, champs électriques parasites), les chercheurs ont dû être plus prudents lors de l'étalonnage qu'ils ne le feraient lors de la mise en œuvre d'une seule porte d'espèce.

"La porte a été réalisée à l'aide d'une paire de faisceaux laser (à environ 402 nm), qui peut coupler et exciter le mouvement du calcium et du strontium simultanément, " Schäfer a expliqué. " Nous avons utilisé trois méthodes différentes pour caractériser les performances de la porte :mesurer l'état de sortie après une seule porte et le comparer à la sortie idéale; exécuter une séquence de portes similaire à un algorithme avec et sans entrelacement de notre porte et comparer l'amplitude des erreurs entre les deux ; et des séquences d'exécution qui améliorent différents types d'erreurs pour caractériser la nature de nos sources d'erreurs."

Pour évaluer les performances de leur portail, les chercheurs ont utilisé trois méthodes connues sous le nom de tomographie partielle, benchmarking randomisé et tomographie gate set. La tomographie à l'état partiel consiste à mettre en œuvre une seule porte puis à mesurer son état de sortie.

"C'est la méthode la plus simple et la plus couramment utilisée, " a déclaré Schäfer. " Parce qu'en moyenne, nous n'obtenons qu'une erreur dans deux sur 1, 000 portes, nous devons le faire plusieurs fois pour obtenir une estimation précise de l'erreur de porte, et il est plus difficile de distinguer entre combien d'erreurs ont été causées par la porte elle-même et combien par la lecture de l'état final, par rapport à la deuxième méthode que nous avons utilisée."

Benchmarking randomisé, la deuxième stratégie d'évaluation utilisée par Schäfer, Hughes et leurs collègues, implique la mise en œuvre de plusieurs portes consécutives en insérant différents types de portes entre elles pour changer en continu l'état d'entrée, après quoi chaque porte est appliquée. Ensuite, les chercheurs ont comparé l'erreur entre uniquement cette séquence aléatoire et une séquence où leur porte a été introduite par intermittence entre les portes aléatoires.

"L'analyse comparative aléatoire est mieux adaptée pour mesurer de très petites erreurs, parce que nous effectuons beaucoup d'opérations de porte avant de lire l'état final, et le résultat est plus comparable aux performances attendues dans un algorithme réel, " a déclaré Schäfer.

Finalement, tomographie d'ensemble de porte, la dernière méthode utilisée par les chercheurs pour évaluer leur porte, tente de quantifier et de caractériser les erreurs produites lors de la mise en œuvre d'une porte. Pour faire ça, il produit des séquences conçues pour augmenter l'effet de types d'erreurs spécifiques afin de quantifier le montant total d'erreurs de chaque type. Les informations obtenues grâce à l'utilisation de cette technique sont utiles aux théoriciens qui tentent de développer des schémas de correction d'erreurs plus efficaces.

"Je pense que le travail mixte a parfois la réputation d'être assez complexe et difficile et difficile à bien faire, " a déclaré Schäfer. "Notre travail a montré qu'en choisissant le bon schéma, nous pouvons en fait effectuer des portes à espèces mixtes presque aussi bien que des portes à une seule espèce. Il y a aussi quelques choses dont on pourrait s'inquiéter au début, qui s'est avéré être complètement hors de propos dans ce schéma."

La récente étude menée par Schäfer, Hughes et leurs collègues pourraient finalement contribuer à la création de nouvelles approches d'informatique quantique à ions piégés plus faciles à mettre à l'échelle. À l'avenir, cela pourrait également servir d'inspiration pour d'autres groupes de recherche qui tentent de mettre en œuvre des portes d'enchevêtrement d'espèces mixtes, fournir des conseils sur la meilleure façon d'y parvenir.

« Nous testons maintenant un mécanisme de porte d'enchevêtrement d'espèces mixtes différent, et souhaitez comparer leurs avantages, inconvénients et exigences pour pouvoir choisir le meilleur régime pour des circonstances données, " a déclaré Schäfer. " Nous voulons également mettre en œuvre cette porte d'espèces mixtes sur notre expérience d'intrication ion-photon, pour démontrer son utilisation pour construire un ordinateur quantique à ions piégés évolutif et l'utiliser pour effectuer une distillation par enchevêtrement. »

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