Des chercheurs de l'ETH ont démontré une nouvelle technique pour effectuer des opérations quantiques sensibles sur les atomes. Dans cette technique, la lumière laser de contrôle est délivrée directement à l'intérieur d'une puce. Cela devrait permettre de construire des ordinateurs quantiques à grande échelle basés sur des atomes piégés.

Il n'est pas facile d'atteindre un point spécifique sur un écran avec un pointeur laser pendant une présentation - même la plus petite secousse nerveuse de la main devient un gros gribouillage à distance. Imaginez maintenant devoir faire cela avec plusieurs pointeurs laser à la fois. C'est exactement le problème auquel sont confrontés les physiciens qui tentent de construire des ordinateurs quantiques à l'aide d'atomes piégés individuels. Ils, trop, doivent viser des faisceaux laser - des centaines voire des milliers dans le même appareil - précisément sur plusieurs mètres de manière à toucher des régions de quelques micromètres seulement qui contiennent les atomes. Toute vibration indésirable perturbera gravement le fonctionnement de l'ordinateur quantique.

A l'ETH de Zurich, Jonathan Home et ses collègues de l'Institute for Quantum Electronics ont maintenant démontré une nouvelle méthode qui leur permet de fournir plusieurs faisceaux laser précisément aux bons emplacements à partir d'une puce d'une manière si stable que même les opérations quantiques les plus délicates sur le des atomes peuvent être effectués.

Vers l'ordinateur quantique

Construire des ordinateurs quantiques est un objectif ambitieux des physiciens depuis plus de trente ans. Les atomes chargés électriquement (les ions) piégés dans des champs électriques se sont avérés être des candidats idéaux pour les bits quantiques ou qubits, que les ordinateurs quantiques utilisent pour leurs calculs. Jusque là, des mini-ordinateurs contenant une dizaine de qubits pourraient ainsi être réalisés. "Toutefois, si vous voulez construire des ordinateurs quantiques avec plusieurs milliers de qubits, qui sera probablement nécessaire pour des applications pertinentes en pratique, les implémentations actuelles présentent des obstacles majeurs, " dit Karan Mehta, un post-doctorant dans le laboratoire de Home et premier auteur de l'étude récemment publiée dans la revue scientifique La nature . Essentiellement, le problème est de savoir comment envoyer des faisceaux laser sur plusieurs mètres du laser dans un appareil à vide et finir par faire mouche à l'intérieur d'un cryostat, dans lequel les pièges à ions sont refroidis à quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu afin de minimiser les perturbations thermiques.

La configuration optique comme obstacle

« Déjà dans les systèmes à petite échelle actuels, les optiques conventionnelles sont une source importante de bruit et d'erreurs, et cela devient beaucoup plus difficile à gérer lorsque l'on essaie de s'adapter », Mehta explique. Plus on ajoute de qubits, plus l'optique des faisceaux laser devient complexe, ce qui est nécessaire pour contrôler les qubits. "C'est là qu'intervient notre approche", ajoute Chi Zhang, un doctorat étudiant du groupe Home :"En intégrant de minuscules guides d'ondes dans les puces qui contiennent les électrodes pour piéger les ions, nous pouvons envoyer la lumière directement à ces ions. De cette façon, les vibrations du cryostat ou d'autres parties de l'appareil produisent beaucoup moins de perturbations."

Les chercheurs ont chargé une fonderie commerciale de produire des puces qui contiennent à la fois des électrodes en or pour les pièges à ions et, dans une couche plus profonde, guides d'ondes pour la lumière laser. À une extrémité des puces, les fibres optiques alimentent les guides d'ondes en lumière, qui n'ont que 100 nanomètres d'épaisseur, formant efficacement un câblage optique à l'intérieur des puces. Chacun de ces guides d'ondes mène à un point spécifique de la puce, où la lumière est finalement déviée vers les ions piégés à la surface.

Des travaux d'il y a quelques années (par certains des auteurs de la présente étude, en collaboration avec des chercheurs du MIT et du MIT Lincoln Laboratory) ont démontré que cette approche fonctionne en principe. Maintenant, le groupe ETH a développé et affiné la technique au point où il est également possible de l'utiliser pour mettre en œuvre des portes logiques quantiques à faible erreur entre différents atomes, une condition préalable importante pour la construction d'ordinateurs quantiques.

Portes logiques haute fidélité

Dans une puce informatique classique, les portes logiques sont utilisées pour effectuer des opérations logiques telles que ET ou NOR. Pour construire un ordinateur quantique, on doit s'assurer qu'il peut effectuer de telles opérations logiques sur les qubits. Le problème avec ceci est que les portes logiques agissant sur deux ou plusieurs qubits sont particulièrement sensibles aux perturbations. En effet, ils créent des états de mécanique quantique fragiles dans lesquels deux ions sont simultanément en superposition, également connus sous le nom d'états intriqués.

Dans une telle superposition, une mesure d'un ion influence le résultat d'une mesure sur l'autre ion, sans que les deux soient en contact direct. Dans quelle mesure la production de ces états de superposition fonctionne, et donc à quel point les portes logiques sont bonnes, s'exprime par la soi-disant fidélité. "Avec la nouvelle puce, nous avons pu réaliser des portes logiques à deux qubits et les utiliser pour produire des états intriqués avec une fidélité qui jusqu'à présent ne pouvait être obtenue que dans les meilleures expériences conventionnelles, " dit Maciej Malinowski, qui a également participé à l'expérience en tant que doctorant. étudiant.

Les chercheurs ont ainsi montré que leur approche est intéressante pour les futurs ordinateurs quantiques à pièges à ions car elle n'est pas seulement extrêmement stable, mais aussi évolutif. Ils travaillent actuellement avec différentes puces destinées à contrôler jusqu'à dix qubits à la fois. Par ailleurs, ils poursuivent de nouvelles conceptions pour des opérations quantiques rapides et précises rendues possibles par le câblage optique.