Lorsque les atomes se rapprochent extrêmement, ils développent des interactions intrigantes qui pourraient être exploitées pour créer de nouvelles générations de technologies informatiques et autres. Ces interactions dans le domaine de la physique quantique se sont avérées difficiles à étudier expérimentalement en raison des limites fondamentales des microscopes optiques.

Maintenant une équipe de chercheurs de Princeton, dirigé par Jeff Thompson, professeur assistant en génie électrique, a développé une nouvelle façon de contrôler et de mesurer des atomes si proches les uns des autres qu'aucune lentille optique ne peut les distinguer.

Décrit dans un article publié le 30 octobre dans la revue Science , leur méthode excite des atomes d'erbium rapprochés dans un cristal à l'aide d'un laser finement réglé dans un circuit optique à l'échelle nanométrique. Les chercheurs profitent du fait que chaque atome répond à des fréquences légèrement différentes, ou couleurs, de lumière laser, permettant aux chercheurs de résoudre et de contrôler plusieurs atomes, sans se fier à leurs informations spatiales.

Dans un microscope conventionnel, l'espace entre deux atomes disparaît effectivement lorsque leur séparation est inférieure à une distance clé appelée limite de diffraction, qui est à peu près égale à la longueur d'onde de la lumière. Ceci est analogue à deux étoiles distantes qui apparaissent comme un seul point de lumière dans le ciel nocturne. Cependant, c'est aussi l'échelle à laquelle les atomes commencent à interagir et donnent lieu à des comportements de mécanique quantique riches et intéressants.

"On se demande toujours, au niveau le plus fondamental — à l'intérieur des solides, à l'intérieur des cristaux, que font réellement les atomes ? Comment interagissent-ils ?", a déclaré le physicien Andrei Faraon, un professeur au California Institute of Technology qui n'était pas impliqué dans la recherche. "Ce [papier] ouvre la fenêtre pour étudier les atomes qui sont en très, proximité très proche."

L'étude des atomes et de leurs interactions à de minuscules distances permet aux scientifiques d'explorer et de contrôler une propriété quantique connue sous le nom de spin. En tant que forme d'élan, la rotation est généralement décrite comme étant soit vers le haut, soit vers le bas (ou les deux, mais c'est une autre histoire). Lorsque la distance entre deux atomes devient de plus en plus petite - à peine des milliardièmes de mètre - le spin de l'un exerce une influence sur le spin de l'autre, et vice versa. Au fur et à mesure que les spins interagissent dans ce domaine, ils peuvent s'emmêler, un terme que les scientifiques utilisent pour décrire deux ou plusieurs particules qui sont inextricablement liées. Les particules intriquées se comportent comme si elles partageaient une existence, peu importe à quelle distance ils deviennent plus tard. L'intrication est le phénomène essentiel qui sépare la mécanique quantique du monde classique, et c'est au centre de la vision des technologies quantiques. Le nouveau dispositif de Princeton est un tremplin pour les scientifiques pour étudier ces interactions de spin avec une clarté sans précédent.

Une caractéristique importante du nouveau dispositif de Princeton est son potentiel à traiter des centaines d'atomes à la fois, fournissant un laboratoire quantique riche dans lequel recueillir des données empiriques. C'est une aubaine pour les physiciens qui espèrent percer les mystères les plus profonds de la réalité, y compris la nature effrayante de l'enchevêtrement.

Une telle enquête n'est pas simplement ésotérique. Au cours des trois dernières décennies, les ingénieurs ont cherché à utiliser les phénomènes quantiques pour créer des technologies complexes de traitement de l'information et de communication, des blocs de construction logiques des ordinateurs quantiques émergents, capable de résoudre des problèmes autrement impossibles, aux méthodes de communication ultra-sécurisées qui peuvent relier les machines à un Internet quantique non piratable. Pour développer davantage ces systèmes, les scientifiques devront enchevêtrer les particules de manière fiable et exploiter leur enchevêtrement pour coder et traiter l'information.

L'équipe de Thompson a vu une opportunité dans l'erbium. Traditionnellement utilisé dans les lasers et les aimants, l'erbium n'a pas été largement exploré pour une utilisation dans les systèmes quantiques car il est difficile à observer, selon les chercheurs. L'équipe a fait une percée en 2018, développer un moyen d'améliorer la lumière émise par ces atomes, et de détecter ce signal de manière extrêmement efficace. Maintenant, ils ont montré qu'ils pouvaient tout faire en masse.

Lorsque le laser éclaire les atomes, il les excite juste assez pour qu'ils émettent une faible lumière à une fréquence unique, mais assez délicatement pour conserver et lire les spins des atomes. Ces fréquences changent très subtilement selon les différents états des atomes, de sorte que "haut" a une fréquence et "bas" en a une autre, et chaque atome individuel a sa propre paire de fréquences.

"Si vous avez un ensemble de ces qubits, ils émettent tous de la lumière à des fréquences très légèrement différentes. Et ainsi en réglant soigneusement le laser sur la fréquence de l'un ou la fréquence de l'autre, nous pouvons y répondre, même si nous n'avons pas la capacité de les résoudre spatialement, " a déclaré Thompson. " Chaque atome voit toute la lumière, mais ils n'écoutent que la fréquence sur laquelle ils sont réglés."

La fréquence de la lumière est alors un proxy parfait pour le spin. Basculer les rotations vers le haut et vers le bas donne aux chercheurs un moyen de faire des calculs. C'est comme les transistors allumés ou éteints dans un ordinateur classique, donnant naissance aux zéros et aux uns de notre monde numérique.

Pour former la base d'un processeur quantique utile, ces qubits devront aller plus loin.

"La force de l'interaction est liée à la distance entre les deux spins, " dit Songtao Chen, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Thompson et l'un des deux auteurs principaux de l'article. "Nous voulons les rapprocher pour pouvoir avoir cette interaction mutuelle, et utilisez cette interaction pour créer une porte logique quantique."

Une porte logique quantique nécessite au moins deux qubits intriqués, le rendant capable d'effectuer des opérations quantiques uniques, comme le calcul des schémas de repliement des protéines ou le routage des informations sur l'internet quantique.

Thompson, qui occupe un poste de direction dans la nouvelle initiative de science quantique de 115 millions de dollars du département américain de l'Énergie, est en mission pour mettre ces qubits au pas. Au sein de l'axe matériaux du Co-Design Center for Quantum Advantage, il dirige les sous-qubits pour l'informatique et la mise en réseau.

Son système erbium, un nouveau type de qubit particulièrement utile dans les applications réseau, peut fonctionner en utilisant l'infrastructure de télécommunications existante, envoyer des signaux sous forme de lumière codée sur des dispositifs en silicium et des fibres optiques. Ces deux propriétés donnent à l'erbium un avantage industriel sur les qubits à l'état solide les plus avancés d'aujourd'hui, qui transmettent des informations à travers des longueurs d'onde de lumière visible qui ne fonctionnent pas bien avec les réseaux de communication à fibre optique.

Toujours, opérer à grande échelle, le système à l'erbium devra être perfectionné.

Alors que l'équipe peut contrôler et mesurer l'état de rotation de ses qubits, quelle que soit leur proximité, et utiliser des structures optiques pour produire des mesures haute fidélité, ils ne peuvent pas encore organiser les qubits selon les besoins pour former des portes à deux qubits. Pour faire ça, les ingénieurs devront trouver un matériau différent pour accueillir les atomes d'erbium. L'étude a été conçue avec cette amélioration future à l'esprit.

"L'un des principaux avantages de la façon dont nous avons mené cette expérience est qu'elle n'a rien à voir avec l'hôte dans lequel se trouve l'erbium, " dit Mouktik Raha, un étudiant diplômé de sixième année en génie électrique et l'un des deux auteurs principaux de l'article. "Tant que vous pouvez mettre de l'erbium à l'intérieur et qu'il ne tremble pas, vous êtes prêt à partir."