Un groupe de recherche dirigé par l'étudiante diplômée Yeelai Chew, le professeur adjoint Sylvain de Léséleuc et le professeur Kenji Ohmori à l'Institut des sciences moléculaires des Instituts nationaux des sciences naturelles, utilise des atomes refroidis presque au zéro absolu et piégés dans des pinces optiques séparées par un micron ou donc (voir Fig. 1). En manipulant les atomes avec une lumière laser spéciale pendant 10 picosecondes, ils ont réussi à exécuter la porte à deux qubits la plus rapide au monde, une opération fondamentale essentielle pour l'informatique quantique, qui fonctionne en seulement 6,5 nanosecondes.

Cet ordinateur quantique ultra-rapide, qui utilise des lasers ultra-rapides pour manipuler des atomes froids piégés avec des pincettes optiques, devrait être un tout nouvel ordinateur quantique qui dépasse les limites des types supraconducteurs et à ions piégés actuellement en développement.

Les résultats sont publiés dans l'édition en ligne de Nature Photonics le 8 août 2022.

Ordinateurs quantiques basés sur des atomes froids

Les ordinateurs quantiques à atomes froids sont basés sur des techniques de refroidissement et de piégeage laser célébrées par les prix Nobel de 1997 (S. Chu, C. Cohen-Tannoudji et W.D. Philipps, "Cooling and trapping atomes with laser light") et 2018 (A. Ashkin , invention de la pince optique). Ces techniques facilitent l'arrangement de réseaux d'atomes froids dans des formes arbitraires avec des pincettes optiques et permettent d'observer chacun individuellement.

Parce que les atomes sont des systèmes quantiques naturels, ils peuvent facilement stocker des bits d'information quantiques, le bloc de construction de base ("qubit") d'un ordinateur quantique (voir Fig. 2). De plus, ces atomes sont très bien isolés du milieu environnant et sont indépendants les uns des autres. Le temps de cohérence (le temps pendant lequel la superposition quantique persiste) d'un qubit peut atteindre plusieurs secondes. Une porte à deux qubits (un élément arithmétique de base essentiel pour l'informatique quantique) est ensuite réalisée en excitant un électron de l'atome dans une orbitale électronique géante, appelée orbitale de Rydberg.

Grâce à ces techniques, la plate-forme à atomes froids est devenue l'un des candidats les plus prometteurs pour le matériel informatique quantique, attirant l'attention de l'industrie, des universités et des gouvernements du monde entier. En particulier, il a un potentiel révolutionnaire dans la mesure où il peut être facilement mis à l'échelle tout en maintenant une cohérence élevée par rapport aux types supraconducteurs et à ions piégés actuellement en cours de développement.

Portes quantiques

Les portes quantiques sont les éléments arithmétiques de base qui composent l'informatique quantique. Ils correspondent aux portes logiques telles que ET et OU dans les ordinateurs classiques classiques. Il existe des portes à un qubit qui manipulent l'état d'un seul qubit et des portes à deux qubits qui génèrent un enchevêtrement quantique entre deux qubits. La porte à deux qubits est la source des performances à grande vitesse des ordinateurs quantiques et est techniquement difficile. La porte à deux qubits la plus importante est appelée "porte Z contrôlée (porte CZ)", qui est une opération qui inverse la superposition quantique d'un premier qubit de 0 + 1 à 0—1 selon l'état (0 ou 1 ) d'un deuxième qubit (voir Fig. 3).

La précision (fidélité) de la porte quantique est facilement dégradée par le bruit de l'environnement extérieur et le fonctionnement du laser, ce qui rend difficile le développement d'ordinateurs quantiques. Étant donné que l'échelle de temps du bruit est généralement inférieure à une microseconde, si une porte quantique suffisamment rapide peut être réalisée, il sera possible d'éviter la dégradation de la précision des calculs due au bruit et de nous rapprocher beaucoup plus de la réalisation d'une solution pratique. ordinateur quantique. Par conséquent, au cours des 20 dernières années, toutes les recherches sur le matériel informatique quantique ont poursuivi des portes plus rapides. La porte ultrarapide de 6,5 nanosecondes obtenue par cette recherche avec le matériel à atomes froids est plus de deux ordres de grandeur plus rapide que le bruit et peut donc ignorer ses effets. Le précédent record du monde était de 15 nanosecondes, réalisé par Google AI en 2020 avec des circuits supraconducteurs.

Méthode expérimentale

L'expérience a été menée en utilisant des atomes de rubidium. Tout d'abord, deux atomes de rubidium en phase gazeuse qui avaient été refroidis à une température ultra-basse d'environ 1/100 000 de Kelvin à l'aide de faisceaux laser ont été disposés à un intervalle de micron avec des pincettes optiques. Les chercheurs les ont ensuite irradiés avec des impulsions laser ultracourtes qui n'ont émis de la lumière que pendant 1/100 de milliardième de seconde et ont observé les changements qui se sont produits. Deux électrons piégés respectivement dans les plus petites orbitales (5S) de deux atomes adjacents (atome 1 et atome 2) ont été projetés dans des orbitales électroniques géantes (orbitales de Rydberg, ici 43D). L'interaction entre ces atomes géants a ensuite conduit à un échange périodique de va-et-vient de la forme orbitale et de l'énergie des électrons se produisant avec une période de 6,5 nanosecondes.

Après une oscillation, les lois de la physique quantique dictent que le signe de la fonction d'onde est inversé, réalisant ainsi la porte à deux qubits (porte Z contrôlée). En utilisant ce phénomène, ils ont effectué une opération de porte quantique à l'aide d'un qubit (Fig. 2) dans lequel l'état électronique 5P est l'état "0" et l'état électronique 43D est l'état "1". Les atomes 1 et 2 ont été préparés en tant que qubits 1 et 2, respectivement, et l'échange d'énergie a été induit à l'aide d'une impulsion laser ultracourte. Au cours d'un cycle d'échange d'énergie, le signe de l'état de superposition du qubit 2 n'était inversé que lorsque le qubit 1 était à l'état "1" (Fig. 3). Ce retournement de signe a été observé expérimentalement par le groupe de recherche, démontrant ainsi qu'une porte à deux qubits peut être actionnée en 6,5 nanosecondes, la plus rapide au monde.

La réalisation de la porte ultrarapide la plus rapide au monde, réalisée cette fois par une méthode entièrement nouvelle de "manipulation d'atomes espacés de deux microns refroidis à un zéro presque absolu à l'aide d'un laser ultrarapide", devrait considérablement accélérer l'attention mondiale sur le matériel à atomes froids. + Explorer plus loin

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