L'informatique quantique pourrait résoudre des problèmes difficiles pour les systèmes informatiques traditionnels. Cela peut sembler magique. Une étape vers la réalisation de l'informatique quantique ressemble même à un tour de magie :la lévitation. Un nouveau projet du Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département américain de l'Énergie tentera cette astuce en faisant léviter une particule microscopique dans une cavité supraconductrice à radiofréquence (SRF) pour observer les phénomènes quantiques.

Généralement au Jefferson Lab et dans d'autres installations d'accélérateurs de particules, Les cavités SRF permettent d'étudier le noyau de l'atome. Ils le font en accélérant des particules subatomiques, comme les électrons. Ce projet utilisera le même type de cavité pour faire léviter à la place une particule microscopique de métal, entre 1 et 100 micromètres de diamètre, avec le champ électrique de la cavité.

"Personne n'a jamais intentionnellement suspendu une particule dans un champ électrique dans le vide à l'aide de cavités SRF, " a déclaré Drew Weisenberger, un chercheur principal sur ce projet, ainsi que directeur de la technologie et chef du groupe Détecteur de rayonnement et imagerie de la division de physique nucléaire expérimentale du Jefferson Lab.

Si l'équipe du projet est capable de faire léviter une particule, ils pourraient ensuite lui conférer un état quantique en refroidissant la particule piégée à son niveau d'énergie le plus bas possible (car c'est à ce moment-là que les propriétés quantiques se produisent).

« Stocker des informations quantiques sur une nanoparticule en lévitation est notre objectif ultime, mais pour l'instant, c'est une expérience de démonstration de principe, " dit Pashupati Dhakal, un autre chercheur principal sur le projet et un scientifique du Jefferson Lab dans les opérations de l'accélérateur, Direction Recherche et Développement. "Nous voulons savoir si nous pouvons piéger et faire léviter des particules à l'intérieur de la cavité en utilisant le champ électrique."

Explorer le quantum avec des cavités accélératrices

L'idée de ce projet est venue d'observations d'experts en accélérateurs. Ils pensent avoir déjà involontairement fait léviter des nanoparticules de métal indésirables et rares, comme le niobium et le fer, à l'intérieur des cavités SRF pendant le fonctionnement des accélérateurs de particules. Ils soupçonnent que cette lévitation involontaire a eu un impact sur les performances des composants de la cavité SRF.

Les chercheurs tentent d'utiliser une technique vieille de plusieurs décennies appelée « piégeage au laser, " comme une étape vers la transmission fiable d'un état quantique à une particule suspendue dans un faisceau laser. Mais, l'équipe du projet Jefferson Lab pense que les cavités SRF peuvent fournir un meilleur outil pour ces chercheurs.

"Un champ électrique pourrait aller au-delà des capacités du piégeage laser, ", a déclaré Weisenberger.

Les caractéristiques intrinsèques des cavités SRF surmonteront certaines limites du piégeage laser. Une particule en lévitation dans une cavité SRF qui est sous vide et refroidie à des températures très froides n'interagira qu'avec le champ électrique de la cavité et ne perdra pas d'informations vers l'extérieur, ce qui est important pour maintenir un état quantique.

"Comme stocker des informations sur une puce informatique, l'état quantique restera et ne se dissipera pas, ", a déclaré Weisenberger. "Et cela pourrait éventuellement conduire à des applications dans l'informatique quantique et les communications quantiques."

Ce projet, intitulé "Expérience de lévitation et piégeage de nanoparticules SRF, " est financé par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire, qui fournit des ressources au personnel de Jefferson Lab pour apporter des contributions rapides et significatives aux problèmes scientifiques et technologiques critiques pertinents pour la mission de Jefferson Lab et du DOE.

Une approche multidisciplinaire

Le projet a été conçu et lancé par Rongli Geng en octobre 2020 avant de passer au Oak Ridge National Laboratory. Il est désormais passé à une équipe plus large et plus pluridisciplinaire dirigée par Weisenberger et Dhakal, les co-chercheurs principaux actuels.

L'équipe de Weisenberger étudie la technologie des détecteurs pour la recherche en physique nucléaire, tandis que les travaux de Dhakal se concentrent sur le développement de cavités SRF pour accélérer les électrons à grande vitesse. Weisenberger dit que l'approche multidisciplinaire rassemblera leur expertise au fur et à mesure qu'ils se diversifieront dans le territoire moins familier de ce projet LDRD.

Les deux chercheurs principaux remarquent que le projet avance bien, grâce à la diligence et à l'expertise de chacun des membres de l'équipe. Les membres de l'équipe comprennent John Musson, Frank Marhauser, Haipeng Wang, Wenze Xi, Brian Kross et Jack McKisson.

"C'est une étape intéressante en dehors des choses habituelles que nous faisons, " a déclaré Weisenberger. " Le programme LDRD libère les scientifiques et les ingénieurs du Jefferson Lab sur une question de recherche qui n'est pas directement liée à ce pour quoi nous sommes réellement embauchés, mais utilise toute l'expertise que nous apportons et c'est une excellente ressource à exploiter pour essayer d'étirer. C'est ce que nous faisons avec ce projet, élongation."

Construire et tester

Avant de retourner le projet sur le Weisenberger et le Dhakal, Geng et ses collègues avaient déterminé les paramètres requis de la cavité et du champ électrique avec des simulations et des calculs.

"Nous avons tout sur papier mais nous devons en faire une réalité, " dit Dhakal.

L'équipe est actuellement en train de mettre en place l'expérience dans la vraie vie.

"Nous devons voir si ce qui a été simulé peut réellement arriver, ", a déclaré Weisenberger.

D'abord, ils assembleront une maquette de l'expérience à température ambiante. Puis, ils feront circuler de l'hélium liquide autour des surfaces extérieures de la cavité pour la refroidir à des températures supraconductrices proches du zéro absolu.

Vient ensuite la partie la plus difficile. Ils doivent obtenir une seule particule microscopique dans la bonne région de la cavité tandis que la cavité est enfermée à l'intérieur d'une enceinte de confinement à des températures supraconductrices, Sous vide, et avec le champ électrique allumé.

"Nous avons trouvé un moyen de lancer à distance une particule dans la cavité dans des conditions expérimentales, nous n'avons plus qu'à le tester maintenant, " a déclaré Weisenberger. " Dans le monde de la recherche et du développement, vous ne pouvez souvent pas faire ce que vous pensiez pouvoir faire. Nous essayons et testons et rencontrons des problèmes, essayer de résoudre les problèmes, et continue."

Il s'agit d'un projet d'un an avec la possibilité d'une autre année de financement, selon la façon dont les choses se passent. C'est aussi un stade précoce, projet de preuve de principe. Si c'est finalement réussi, il y aurait encore un long chemin de R&D avant que les concepts puissent être appliqués à la construction d'ordinateurs quantiques. De tels ordinateurs nécessiteraient de faire léviter et de transmettre des états quantiques à des dizaines, voire des centaines, voire des milliers de particules beaucoup plus petites de manière prévisible et fiable.

Toujours, les chercheurs attendent avec impatience les découvertes qu'ils espèrent que cette étude permettra concernant la lévitation des particules microscopiques et l'observation potentielle d'un état quantique.

"Je suis optimiste, " Dhakal a dit. " De toute façon, on va découvrir quelque chose. L'échec fait autant partie de la R&D que le succès. Vous apprenez des deux. Essentiellement, que la particule lévite ou non, ou si nous pouvons lui communiquer l'état quantique ou non, c'est quelque chose qui n'a jamais été fait auparavant. C'est très stimulant et excitant."