Les ordinateurs quantiques sont en grande partie des dispositifs hypothétiques qui pourraient effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs conventionnels. Au lieu des bits de calcul classique, qui peut représenter 0 ou 1, les ordinateurs quantiques sont constitués de bits quantiques, ou qubits, qui peut, en quelques sortes, représentent 0 et 1 simultanément.

Bien que des systèmes quantiques avec jusqu'à 12 qubits aient été démontrés en laboratoire, la construction d'ordinateurs quantiques suffisamment complexes pour effectuer des calculs utiles nécessitera la miniaturisation de la technologie qubit, tout comme la miniaturisation des transistors a permis aux ordinateurs modernes.

Les ions piégés sont probablement la technologie qubit la plus étudiée, mais ils ont historiquement exigé un appareil matériel important et complexe. Dans aujourd'hui Nature Nanotechnologie , des chercheurs du MIT et du MIT Lincoln Laboratory signalent une étape importante vers des ordinateurs quantiques pratiques, avec un article décrivant un prototype de puce capable de piéger des ions dans un champ électrique et, avec optique intégrée, diriger la lumière laser vers chacun d'eux.

« Si vous regardez le montage traditionnel, c'est un baril qui a un vide à l'intérieur, et à l'intérieur se trouve cette cage qui piège les ions. Ensuite, il y a tout un laboratoire d'optique externe qui guide les faisceaux laser vers l'assemblage d'ions, " dit Rajeev Ram, un professeur de génie électrique du MIT et l'un des auteurs principaux de l'article. "Notre vision est de prendre ce laboratoire externe et d'en miniaturiser une grande partie sur une puce."

En cage

Le groupe Information quantique et nanosystèmes intégrés du Lincoln Laboratory était l'un des nombreux groupes de recherche qui travaillaient déjà à développer des petits pièges à ions appelés pièges de surface. Un piège à ions standard ressemble à une petite cage, dont les barreaux sont des électrodes qui produisent un champ électrique. Les ions s'alignent au centre de la cage, parallèle aux barres. Un piège de surface, par contre, est une puce avec des électrodes incrustées dans sa surface. Les ions planent à 50 micromètres au-dessus des électrodes.

Les pièges à cage sont intrinsèquement limités en taille, mais les pièges de surface pourraient, en principe, être prolongé indéfiniment. Avec la technologie actuelle, ils devraient encore être conservés dans une chambre à vide, mais ils permettraient d'entasser beaucoup plus de qubits à l'intérieur.

"Nous pensons que les pièges de surface sont une technologie clé pour permettre à ces systèmes de s'adapter au très grand nombre d'ions qui seront nécessaires pour l'informatique quantique à grande échelle, " dit Jérémy Sage, qui, avec John Chiaverini, dirige le projet de traitement de l'information quantique à ions piégés du Lincoln Laboratory. "Ces pièges à cage fonctionnent très bien, mais ils ne fonctionnent vraiment que pour peut-être 10 à 20 ions, et ils maximisent fondamentalement là-bas. "

Effectuer un calcul quantique, cependant, nécessite de contrôler avec précision l'état énergétique de chaque qubit indépendamment, et les qubits à ions piégés sont contrôlés avec des faisceaux laser. Dans un piège de surface, les ions ne sont séparés que d'environ 5 micromètres. Frapper un seul ion avec un laser externe, sans affecter ses voisins, est incroyablement difficile; seuls quelques groupes l'avaient déjà tenté, et leurs techniques n'étaient pas pratiques pour les systèmes à grande échelle.

Embarquer

C'est là qu'intervient le groupe de Ram. Ram et Karan Mehta, un étudiant diplômé du MIT en génie électrique et premier auteur du nouveau document, conçu et construit une suite de composants optiques sur puce qui peuvent canaliser la lumière laser vers des ions individuels. Sauge, Chiaverini, et leurs collègues du Lincoln Lab, Colin Bruzewicz et Robert McConnell, ont rééquipé leur piège de surface pour accueillir l'optique intégrée sans compromettre ses performances. Ensemble, les deux groupes ont conçu et exécuté les expériences pour tester le nouveau système.

"Typiquement, pour pièges à électrodes de surface, le faisceau laser provient d'une table optique et pénètre dans ce système, il y a donc toujours ce souci de la vibration ou du mouvement du faisceau, " dit Ram. "Avec l'intégration photonique, vous n'êtes pas préoccupé par la stabilité du pointage du faisceau, car tout est sur la même puce sur laquelle se trouvent les électrodes. Alors maintenant, tout est enregistré les uns contre les autres, et c'est stable."

La nouvelle puce des chercheurs est construite sur un substrat de quartz. Au sommet du quartz se trouve un réseau de "guides d'ondes" en nitrure de silicium, " qui acheminent la lumière laser à travers la puce. Au-dessus des guides d'ondes se trouve une couche de verre, et en plus de cela se trouvent les électrodes en niobium. Sous les trous des électrodes, les guides d'ondes se brisent en une série de crêtes séquentielles, un "réseau de diffraction" conçu avec précision pour diriger la lumière à travers les trous et la concentrer en un faisceau suffisamment étroit pour cibler un seul ion, 50 micromètres au-dessus de la surface de la puce.

Perspectives

Avec la puce prototype, les chercheurs évaluaient les performances des réseaux de diffraction et des pièges à ions, mais il n'y avait aucun mécanisme pour faire varier la quantité de lumière délivrée à chaque ion. Dans les travaux en cours, les chercheurs étudient l'ajout de modulateurs de lumière aux réseaux de diffraction, de sorte que différents qubits puissent recevoir simultanément la lumière de différents, intensités variables dans le temps. Cela rendrait la programmation des qubits plus efficace, ce qui est vital dans un système d'information quantique pratique, puisque le nombre d'opérations quantiques que le système peut effectuer est limité par le « temps de cohérence » des qubits.