Les états énergétiques des électrons dans un atome suivent les lois de la mécanique quantique :ils ne sont pas distribués en continu mais limités à certaines valeurs bien définies :c'est aussi ce qu'on appelle la quantification. De tels états quantifiés constituent la base des bits quantiques (qubits), avec lesquels les scientifiques souhaitent construire des ordinateurs quantiques extrêmement puissants. À cette fin, les atomes doivent être refroidis et piégés au même endroit.

Un piégeage puissant peut être obtenu en ionisant les atomes, ce qui signifie leur donner une charge électrique. Cependant, une loi fondamentale de l’électromagnétisme stipule que les champs électriques constants dans le temps ne peuvent pas piéger une seule particule chargée. En revanche, en ajoutant un champ électromagnétique oscillant, on obtient un piège à ions stable, également connu sous le nom de piège de Paul.

De cette manière, il a été possible ces dernières années de construire des ordinateurs quantiques dotés de pièges à ions contenant environ 30 qubits. Cependant, des ordinateurs quantiques beaucoup plus grands ne peuvent pas être réalisés directement avec cette technique. Les champs oscillants rendent difficile la combinaison de plusieurs pièges de ce type sur une seule puce, et leur utilisation chauffe le piège, un problème plus important à mesure que les systèmes deviennent plus grands. Pendant ce temps, le transport des ions est limité au passage le long de sections linéaires reliées par des croix.

Piège à ions avec champ magnétique

Une équipe de chercheurs de l'ETH Zurich dirigée par Jonathan Home a démontré que des pièges à ions adaptés aux ordinateurs quantiques peuvent également être construits en utilisant des champs magnétiques statiques au lieu de champs oscillants. Dans ces pièges statiques dotés d'un champ magnétique supplémentaire, appelés pièges de Penning, ont été réalisés à la fois le transport arbitraire et les opérations nécessaires aux futurs supercalculateurs. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue scientifique Nature .

"Traditionnellement, les pièges de Penning sont utilisés lorsque l'on souhaite piéger un très grand nombre d'ions pour des expériences de précision, mais sans avoir à les contrôler individuellement", explique le docteur. étudiant Shreyans Jain. "En revanche, dans les petits ordinateurs quantiques basés sur les ions, des pièges de Paul sont utilisés."

L’idée des chercheurs de l’ETH de construire de futurs ordinateurs quantiques utilisant également des pièges de Penning a d’abord été accueillie avec scepticisme par leurs collègues, pour diverses raisons. Les pièges à enclos nécessitent des aimants extrêmement puissants, très coûteux et plutôt encombrants.

En outre, toutes les réalisations précédentes de pièges de Penning étaient très symétriques, ce que les structures à l'échelle des puces utilisées à l'ETH violent. Placer l’expérience à l’intérieur d’un grand aimant rend difficile le guidage des faisceaux laser nécessaires au contrôle des qubits dans le piège, tandis que de puissants champs magnétiques augmentent l’espacement entre les états énergétiques des qubits. Ceci, à son tour, rend les systèmes laser de contrôle beaucoup plus complexes :au lieu d'une simple diode laser, plusieurs lasers à verrouillage de phase sont nécessaires.

Transport dans des directions arbitraires

Home et ses collaborateurs ne se sont toutefois pas laissé décourager par ces difficultés et ont construit un piège de Penning basé sur un aimant supraconducteur et une puce microfabriquée avec plusieurs électrodes, qui a été produit à la Physikalisch-Technische Bundesanstalt de Braunschweig. L'aimant utilisé délivre un champ de 3 Tesla, près de 100 000 fois plus puissant que le champ magnétique terrestre. Grâce à un système de miroirs refroidis cryogéniquement, les chercheurs zurichois ont réussi à canaliser la lumière laser nécessaire vers les ions à travers l'aimant.

Les efforts ont porté leurs fruits :un seul ion piégé, qui peut rester dans le piège pendant plusieurs jours, pouvait désormais être déplacé arbitrairement sur la puce, reliant les points « à vol d'oiseau » en contrôlant les différentes électrodes – ce qui n'était pas possible auparavant avec le ancienne approche basée sur les champs oscillants. Puisqu'aucun champ oscillant n'est nécessaire pour le piégeage, bon nombre de ces pièges peuvent être regroupés sur une seule puce.

"Une fois chargées, nous pouvons même isoler complètement les électrodes du monde extérieur et ainsi étudier dans quelle mesure les ions sont perturbés par des influences extérieures", explique Tobias Sägesser, qui a participé à l'expérience en tant que doctorant. étudiant.

Contrôle cohérent du qubit

Les chercheurs ont également démontré que les états énergétiques des qubits de l’ion piégé pouvaient également être contrôlés tout en maintenant les superpositions de mécanique quantique. Le contrôle cohérent fonctionnait à la fois avec les états électroniques (internes) de l'ion et les états d'oscillation quantifiés (externes), ainsi qu'avec le couplage des états quantiques internes et externes. Ce dernier est une condition préalable à la création d’états intriqués, importants pour les ordinateurs quantiques.

Dans une prochaine étape, Home souhaite piéger deux ions dans des pièges de Penning voisins sur la même puce et démontrer ainsi que des opérations quantiques avec plusieurs qubits peuvent également être effectuées. Ce serait la preuve définitive que des ordinateurs quantiques peuvent être réalisés en utilisant des ions dans des pièges de Penning. Le professeur a également en tête d’autres applications. Par exemple, étant donné que les ions du nouveau piège peuvent être déplacés de manière flexible, ils peuvent être utilisés pour sonder les champs électriques, magnétiques ou micro-ondes à proximité des surfaces. Cela ouvre la possibilité d'utiliser ces systèmes comme capteurs atomiques des propriétés de surface.