Entrez dans un laboratoire quantique où les scientifiques piègent les ions, et vous trouverez des paillasses pleines de miroirs et de lentilles, tous les lasers de focalisation pour frapper un ion "piégé" en place au-dessus d'une puce. En utilisant des lasers pour contrôler les ions, les scientifiques ont appris à exploiter les ions en tant que bits quantiques, ou qubits, l'unité de base des données dans un ordinateur quantique. Mais cette configuration laser freine maintenant la recherche, ce qui rend difficile l'expérimentation avec plus de quelques ions et le retrait de ces systèmes du laboratoire pour une utilisation réelle.

Maintenant, Les chercheurs du Lincoln Laboratory ont mis au point un moyen compact de fournir de la lumière laser aux ions piégés. Dans un article publié en La nature , les chercheurs décrivent un bloc de fibre optique qui se branche sur la puce piège à ions, couplage de la lumière à des guides d'ondes optiques fabriqués dans la puce elle-même. Grâce à ces guides d'ondes, plusieurs longueurs d'onde de lumière peuvent être acheminées à travers la puce et libérées pour frapper les ions au-dessus.

« Il est clair pour de nombreuses personnes sur le terrain que l'approche conventionnelle, en utilisant des optiques en espace libre telles que des miroirs et des lentilles, n'ira que si loin, " dit Jérémy Sage, auteur de l'article et cadre supérieur du groupe Information quantique et nanosystèmes intégrés du Lincoln Laboratory. "Si la lumière est plutôt portée sur la puce, il peut être dirigé vers les nombreux endroits où il doit être. La livraison intégrée de nombreuses longueurs d'onde peut conduire à une plate-forme très évolutive et portable. Nous montrons pour la première fois que cela peut être fait."

Plusieurs couleurs

Le calcul avec des ions piégés nécessite un contrôle précis de chaque ion indépendamment. L'optique en espace libre a bien fonctionné lors du contrôle de quelques ions dans une courte chaîne unidimensionnelle. Mais frapper un seul ion parmi un amas plus grand ou à deux dimensions, sans heurter ses voisins, est extrêmement difficile. En imaginant un ordinateur quantique pratique nécessitant des milliers d'ions, cette tâche de contrôle laser semble peu pratique.

Ce problème imminent a conduit les chercheurs à trouver un autre moyen. En 2016, Les chercheurs du Lincoln Laboratory et du MIT ont présenté une nouvelle puce avec une optique intégrée. Ils ont concentré un laser rouge sur la puce, où les guides d'ondes sur la puce acheminaient la lumière vers un coupleur de réseau, une sorte de bande rugueuse pour arrêter la lumière et la diriger vers l'ion.

La lumière rouge est cruciale pour effectuer une opération fondamentale appelée porte quantique, que l'équipe a réalisée lors de cette première démonstration. Mais jusqu'à six lasers de couleurs différentes sont nécessaires pour faire tout ce qui est nécessaire au calcul quantique :préparer l'ion, refroidir, lire son état énergétique, et effectuer des portes quantiques. Avec cette dernière puce, l'équipe a étendu sa preuve de principe au reste de ces longueurs d'onde requises, du violet au proche infrarouge.

"Avec ces longueurs d'onde, nous avons pu effectuer l'ensemble des opérations fondamentales dont vous avez besoin pour contrôler les ions piégés, " dit Jean Chiaverini, également un auteur sur le papier. La seule opération qu'ils n'ont pas effectuée, une porte à deux qubits, a été démontré par une équipe de l'ETH Zürich en utilisant une puce similaire au travail de 2016, et est décrit dans un article du même La nature problème. "Ce travail associé au nôtre montre que vous avez tout ce dont vous avez besoin pour commencer à construire de plus grands réseaux d'ions piégés, " ajoute Chiaverini.

La fibre optique

Pour passer d'une à plusieurs longueurs d'onde, l'équipe a conçu une méthode pour lier un bloc de fibre optique directement sur le côté de la puce. Le bloc est constitué de quatre fibres optiques, chacun spécifique à une certaine gamme de longueurs d'onde. Ces fibres s'alignent avec un guide d'ondes correspondant modelé directement sur la puce.

"L'alignement du réseau de blocs de fibres sur les guides d'ondes de la puce et l'application de l'époxy ressemblaient à une intervention chirurgicale. C'était un processus très délicat. Nous avions environ un demi-micron de tolérance et il devait survivre à un refroidissement à 4 Kelvin, " dit Robert Niffenegger, qui a dirigé les expériences et est le premier auteur de l'article.

Au-dessus des guides d'ondes se trouve une couche de verre. Au-dessus du verre se trouvent des électrodes métalliques, qui produisent des champs électriques qui maintiennent l'ion en place; des trous sont découpés dans le métal sur les coupleurs de grille où la lumière est libérée. L'ensemble du dispositif a été fabriqué dans le laboratoire de microélectronique du laboratoire Lincoln.

Concevoir des guides d'ondes qui pourraient fournir la lumière aux ions avec une faible perte, éviter l'absorption ou la diffusion, était un défi, car la perte a tendance à augmenter avec des longueurs d'onde plus bleues. "C'était un processus de développement de matériaux, modeler les guides d'ondes, les tester, mesurer les performances, et réessayer. Nous devions également nous assurer que les matériaux des guides d'ondes fonctionnaient non seulement avec les longueurs d'onde de lumière nécessaires, mais aussi qu'ils n'interfèrent pas avec les électrodes métalliques qui piègent l'ion, " dit Sage.

Évolutif et portable