Une équipe de chercheurs du 5e Institut de physique de l'Université de Stuttgart réalise des progrès importants dans le domaine de la simulation quantique et de l'informatique quantique basée sur les atomes de Rydberg en surmontant une limitation fondamentale :la durée de vie limitée des atomes de Rydberg. Les États circulaires de Rydberg montrent un énorme potentiel pour surmonter cette limitation.
L'article est publié dans la revue Physical Review X .
Dans le monde de l’informatique quantique et de la technologie de simulation quantique, l’utilisation d’atomes neutres pose un défi fondamental :la durée de vie des atomes de Rydberg, qui sont les éléments constitutifs de l’informatique quantique, est limitée. Mais il existe une solution prometteuse :les États circulaires de Rydberg.
Pour la première fois, l'équipe de recherche a réussi à générer et à capturer des atomes Rydberg circulaires d'un métal alcalino-terreux dans une série de pinces optiques.
"C'est passionnant car ils sont particulièrement stables et peuvent prolonger considérablement la durée de vie d'un bit quantique. Ils ont donc un grand potentiel pour le développement de simulateurs quantiques plus puissants", déclare le Dr Florian Meinert, chef du groupe de recherche junior au 5e Institut de Physique, qui est en charge du projet.
Un atome de Rydberg circulaire est un type particulier d'atome de Rydberg dans lequel l'électron excité suit un chemin circulaire autour du noyau atomique. Comparés aux autres états de Rydberg, ces atomes ont une stabilité accrue et une durée de vie plus longue. Cela en fait des candidats attrayants pour une utilisation comme qubits.
Les états circulaires de Rydberg sont connus depuis des décennies et ont été la clé des expériences lauréates du prix Nobel sur la nature quantique de l'interaction lumière-matière. Récemment, le potentiel de ces états pour l'informatique quantique a été de nouveau de plus en plus discuté.
Le strontium, un métal alcalino-terreux doté de deux électrons optiquement actifs, a été choisi pour créer l'atome de Rydberg car il offre des possibilités uniques. Une fois préparé dans l'état circulaire de Rydberg, le deuxième électron en orbite autour du noyau atomique peut être utilisé pour des opérations quantiques déjà connues grâce à la recherche sur les ordinateurs quantiques ioniques.
L’équipe de recherche a démontré la génération d’états circulaires de très haute énergie d’un isotope du strontium avec une durée de vie étonnamment longue pouvant atteindre 2,55 millisecondes à température ambiante. Ils ont utilisé les propriétés spéciales d'une cavité qui supprime le rayonnement de fond interférent du corps noir, ce qui conduirait l'électron sensible de Rydberg vers d'autres niveaux de Rydberg énergétiquement voisins.
Sans cette protection, les États circulaires ne pourraient pas survivre longtemps. "Ils doivent également leur durée de vie plus longue à leur moment cinétique maximal, qui les protège de la désintégration. Cela signifie que les bits quantiques sont plus stables et donc moins sensibles aux erreurs et aux interférences externes", explique Christian Hölzl, Ph.D. étudiant au 5ème Institut de Physique.
Un autre aspect important de la recherche était le contrôle et la manipulation précis d’un bit quantique micro-onde codé dans des états circulaires. Ce contrôle dit cohérent a permis aux scientifiques d'utiliser des impulsions micro-ondes pour faire basculer le qubit entre différents états sans perdre ses informations quantiques.
Ils ont pu déterminer avec précision la durée de vie du bit quantique et obtenir des informations importantes sur sa stabilité à température ambiante. Un contrôle cohérent efficace est crucial pour effectuer des opérations quantiques et les rend précises et fiables.
Les atomes circulaires de Rydberg offrent une multitude de possibilités pour réaliser des opérations quantiques et notamment des simulations quantiques. "Leur polyvalence les rend attrayants pour un large éventail d'applications", déclare le professeur Tilman Pfau, directeur du 5e Institut de physique et du centre suprarégional de la Fondation Carl Zeiss pour la photonique quantique à Iéna, Stuttgart et Ulm (CZS Center QPhoton).
Étant donné que les atomes circulaires de Rydberg peuvent être spécifiquement piégés et manipulés avec précision dans des pincettes optiques ou d'autres types de pièges, ils offrent des possibilités pour une architecture évolutive qui pourrait être avantageuse à l'avenir pour construire de grands systèmes de bits quantiques basés sur des atomes neutres.
Plus d'informations : C. Hölzl et al, Qubits Rydberg circulaires à longue durée de vie d'atomes alcalino-terreux dans des pinces optiques, Physical Review X (2024). DOI :10.1103/PhysRevX.14.021024
Informations sur le journal : Examen physique X
Fourni par l'Université de Stuttgart
