Auteur principal, Philip Gregory aux côtés des lasers utilisés pour refroidir les atomes Rb et Cs ultrafroids avant de former des molécules de RbCs. Crédit :Grégory et al.
Les molécules ont une structure très complexe et riche, ce qui leur permet de tourner et de vibrer librement. Par conséquent, ils ont un espace presque illimité dans lequel les informaticiens pourraient coder l'information quantique. En plus de leur vaste espace intérieur, les molécules sont capables d'interactions à longue distance et pourraient donc être intriquées à d'autres molécules distinctes.
En raison de ces qualités avantageuses, de nombreux ingénieurs et physiciens ont étudié l'utilisation potentielle de molécules pour des applications d'informatique quantique. Alors que certains ordinateurs quantiques basés sur des molécules ont obtenu des résultats prometteurs, les scientifiques ont découvert que les qubits stockés dans les molécules sont sensibles à la décohérence (c'est-à-dire, une perte d'information qui voyage d'un système quantique à son environnement environnant).
Des chercheurs de l'Université de Durham au Royaume-Uni ont récemment mené une étude visant à étudier le potentiel de stockage d'informations quantiques dans des molécules polaires ultrafroides. Dans leur papier, Publié dans Physique de la nature , l'équipe a réussi à démontrer le stockage des qubits dans les molécules tout en limitant la décohérence, ce qui pourrait avoir des implications importantes pour le développement d'outils informatiques quantiques.
"L'un des grands défis auxquels sont confrontées toutes les plateformes de calcul quantique est de développer des méthodes d'ingénierie qui évitent de perdre des informations quantiques par décohérence, " Philip D. Gregory et Simon L. Cornish, deux des chercheurs qui ont mené l'étude, a dit à Phys.org par e-mail. "Notre objectif premier était donc de démontrer que l'information quantique pouvait être stockée dans une molécule pendant des temps exceptionnellement longs, répondant ainsi à l'une des exigences pour la construction d'un ordinateur quantique utilisant des molécules ultrafroides. »
L'objectif premier des récents travaux de Grégory, Cornish et leurs collègues devaient identifier, comprendre et finalement éliminer toutes les sources de décohérence expérimentalement pertinentes dans les qubits stockés dans les molécules. Initialement, l'équipe a mesuré la cohérence dans leur système quantique à l'aide d'une technique connue sous le nom d'interférométrie de Ramsey à différents états du qubit. Ils ont ensuite préparé une superposition des états des qubits à l'aide de micro-ondes et ont permis au système d'évoluer dans le temps.
L'appareil expérimental utilisé pour créer des molécules de RbCs ultrafroides et effectuer ces expériences. Crédit :Grégory et al.
"Pour tester la cohérence, nous avons utilisé une deuxième impulsion micro-onde qui conduit à une interférence dépendante de la phase entre les populations d'état, " Gregory et Cornish ont expliqué. " Ce que nous avons observé, ce sont des oscillations du nombre de molécules dans l'un ou l'autre état du qubit en fonction du temps, et nous avons également constaté que la décohérence est caractérisée par une réduction de l'amplitude ou du contraste de ces oscillations."
En utilisant leur méthode basée sur les impulsions micro-ondes, Grégoire, Cornish et leurs collègues ont pu examiner le temps de cohérence en fonction de tout paramètre utilisé dans leur expérience (par exemple, le champ magnétique ou la polarisation de la lumière piégée), simplement en changeant la valeur du paramètre pour la période entre les impulsions micro-ondes dans la séquence de Ramsey. Finalement, ils ont comparé leurs découvertes à un modèle détaillé de la structure rotationnelle et hyperfine de la molécule dans laquelle les qubits étaient stockés. Cela leur a permis de comprendre les rôles uniques des différentes interactions au sein de la molécule qui peuvent contribuer à la perte de cohérence du système.
"Notre réalisation la plus importante est l'élimination des sources de décohérence dans notre expérience, ", ont déclaré Gregory et Cornish. "Cela a des implications pour l'informatique quantique avec des molécules ultrafroides, car les informations quantiques peuvent désormais être stockées pendant des périodes beaucoup plus longues."
Dans leur expérience, les chercheurs ont pu éliminer la sensibilité au bruit du champ magnétique en identifiant une paire d'états hyperfins qui, lorsqu'il est soumis à un champ magnétique spécifique, ont une différence d'énergie entre eux qui ne dépend pas de petits changements dans le champ magnétique. En outre, Grégoire, Cornish et leurs collègues ont découvert un subtil décalage de lumière tensorielle entre les états qubit. Néanmoins, ils ont montré que ce décalage pouvait également être éliminé en choisissant soigneusement l'angle de polarisation du laser de piégeage.
Démonstration d'un qubit de stockage robuste dans les RbC. Des franges de Ramsey à fort contraste sont observées sous la forme d'une oscillation dans les molécules restant dans l'un des états qubit. Ces oscillations persistent pendant au moins 5,6 secondes au niveau de confiance de 95 %. Crédit :Grégory et al.
"Remarquablement, ayant éliminé toutes ces sources de décohérence, nous avons trouvé que le temps de cohérence était beaucoup plus long que la durée de vie de notre gaz moléculaire (qui est limitée par la perte de collision), ", ont déclaré Gregory et Cornish.
À l'avenir, ce travail pourrait éclairer le développement de nouvelles technologies quantiques qui stockent des informations à l'intérieur des molécules. En outre, cela pourrait avoir des implications précieuses pour la collecte de mesures, que les techniques utilisées par Grégory, Cornish et leurs collègues permettent des temps d'interaction particulièrement longs avec les molécules. Cela signifie qu'il pourrait être utilisé pour collecter des mesures très précises à des états hyperfins de molécules, ce qui pourrait à son tour élargir la compréhension actuelle de leur structure interne.
"Les opérations de porte avec des molécules ultrafroides sont possibles en utilisant des interactions résonantes dipôle-dipôle, " Gregory et Cornish ont déclaré. " De telles interactions peuvent être accessibles en utilisant les états de rotation de la molécule. Nous développons actuellement un piège magique rotatif, où le léger décalage du sol et des premiers états excités en rotation seront identiques. Un tel piège favorisera une longue cohérence entre les états rotationnels, ce qui sera important pour la mise en place de portails à enchevêtrement haute fidélité, ainsi que l'étude de modèles pertinents pour le magnétisme quantique."
Pour plusieurs applications d'informatique quantique, l'utilisation de molécules ultrafroides n'est possible que si les molécules sont confinées dans un réseau spatial contrôlable et peuvent être surveillées et consultées individuellement. Grégoire, Cornish et leurs collègues travaillent donc désormais également sur une stratégie de chargement de molécules dans des réseaux optiques et d'assemblage de molécules individuelles dans des matrices, les stocker dans des pièges à pincettes optiques.
"Isoler les molécules de cette manière permettra également d'éviter les collisions entre molécules, " Gregory et Cornish ont ajouté. " Cela augmentera encore le temps d'interaction disponible et nous permettra de mettre de meilleures limites sur le temps de cohérence à l'avenir. "
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