Dans une série d'articles, Les chercheurs de Rochester signalent des progrès majeurs dans l'amélioration du transfert d'informations dans les systèmes quantiques.

La science quantique a le potentiel de révolutionner la technologie moderne avec des ordinateurs plus efficaces, la communication, et des dispositifs de détection. Mais des défis restent à relever pour atteindre ces objectifs technologiques, surtout lorsqu'il s'agit de transférer efficacement des informations dans les systèmes quantiques.

Les bits sont utilisés pour représenter des informations dans les ordinateurs ordinaires. Ordinateurs quantiques, d'autre part, sont basés sur des bits quantiques, également appelés qubits, qui peut être fabriqué à partir d'un seul électron.

Contrairement aux transistors ordinaires, qui peut être soit "0" (désactivé) soit "1" (activé), les qubits peuvent être à la fois "0" et "1" en même temps. La capacité des qubits individuels à occuper ces états dits de superposition, où ils sont dans plusieurs états simultanément, sous-tend le grand potentiel des ordinateurs quantiques. Tout comme les ordinateurs ordinaires, cependant, les ordinateurs quantiques ont besoin d'un moyen de transférer des informations quantiques entre des qubits distants, ce qui représente un défi expérimental majeur.

Dans une série d'articles publiés dans Communication Nature , chercheurs de l'Université de Rochester, dont John Nichol, professeur assistant de physique et d'astronomie, et les étudiants diplômés Yadav Kandel et Haifeng Qiao, les principaux auteurs des articles, rapportent des progrès majeurs dans l'amélioration de l'informatique quantique en améliorant le transfert d'informations entre les électrons dans les systèmes quantiques.

Dans un papier, les chercheurs ont démontré une voie de transfert d'informations entre les qubits, appelé transfert d'état quantique adiabatique (AQT), pour la première fois avec des qubits de spin électronique. Contrairement à la plupart des méthodes de transfert d'informations entre qubits, qui reposent sur des impulsions de champ électrique ou magnétique soigneusement réglées, L'AQT n'est pas aussi affecté par les erreurs d'impulsion et le bruit.

Pour visualiser le fonctionnement de l'AQT, imaginez que vous conduisez votre voiture et que vous voulez la garer. Si vous ne freinez pas au bon moment, la voiture ne sera pas là où tu la veux, avec des conséquences négatives potentielles. Dans ce sens, les impulsions de commande (les pédales d'accélérateur et de frein) de la voiture doivent être réglées avec soin. L'AQT est différent en ce sens que peu importe combien de temps vous appuyez sur les pédales ou à quel point vous les appuyez :la voiture se retrouvera toujours au bon endroit. Par conséquent, L'AQT a le potentiel d'améliorer le transfert d'informations entre les qubits, ce qui est essentiel pour la mise en réseau quantique et la correction d'erreurs.

Les chercheurs ont démontré l'efficacité de l'AQT en exploitant l'intrication, l'un des concepts de base de la physique quantique dans lequel les propriétés d'une particule affectent les propriétés d'une autre, même lorsque les particules sont séparées par une grande distance. Les chercheurs ont pu utiliser l'AQT pour transférer l'état de spin quantique d'un électron à travers une chaîne de quatre électrons dans des points quantiques semi-conducteurs - minuscules, semi-conducteurs nanométriques aux propriétés remarquables. C'est la plus longue chaîne sur laquelle un état de spin a jamais été transféré, égalant le record établi par les chercheurs dans un précédent La nature papier.

« Parce que l'AQT est robuste contre les erreurs d'impulsion et le bruit, et en raison de ses applications potentielles majeures en informatique quantique, cette démonstration est une étape clé pour l'informatique quantique avec des qubits de spin, " dit Nichol.

Exploiter un étrange état de la matière

Dans un deuxième article, les chercheurs ont démontré une autre technique de transfert d'informations entre qubits, en utilisant un état exotique de la matière appelé cristaux de temps. Un cristal temporel est un état étrange de la matière dans lequel les interactions entre les particules qui composent le cristal peuvent stabiliser indéfiniment les oscillations du système dans le temps. Imaginez une horloge qui tourne indéfiniment; le pendule de l'horloge oscille dans le temps, un peu comme le cristal de temps oscillant.

En mettant en œuvre une série d'impulsions de champ électrique sur des électrons, les chercheurs ont pu créer un état similaire à un cristal temporel. Ils ont découvert qu'ils pouvaient ensuite exploiter cet état pour améliorer le transfert de l'état de spin d'un électron dans une chaîne de points quantiques semi-conducteurs.

"Notre travail fait les premiers pas pour montrer à quel point les états étranges et exotiques de la matière, comme des cristaux du temps, peut potentiellement être utilisé pour des applications de traitement de l'information quantique, comme le transfert d'informations entre qubits, ", dit Nichol. "Nous montrons également théoriquement comment ce scénario peut mettre en œuvre d'autres opérations à un ou plusieurs qubits qui pourraient être utilisées pour améliorer les performances des ordinateurs quantiques."

Les cristaux AQT et temporels, bien que différent, pourrait être utilisé simultanément avec des systèmes informatiques quantiques pour améliorer les performances.

"Ces deux résultats illustrent les manières étranges et intéressantes dont la physique quantique permet d'envoyer des informations d'un endroit à un autre, qui est l'un des principaux défis de la construction d'ordinateurs et de réseaux quantiques viables, " dit Nichol.