Piéger les ions avec des champs magnétiques et électriques statiques au lieu d’un champ électromagnétique oscillant pourrait faciliter l’utilisation des ions comme éléments constitutifs des ordinateurs quantiques. La nouvelle approche, développée par des chercheurs de ETH Zurich en Suisse, permet un meilleur contrôle de l'état et de la position quantiques d'un ion et marque une étape importante vers la mise à l'échelle des ions piégés en tant que plate-forme de calcul quantique.
Les ordinateurs quantiques peuvent surpasser les ordinateurs classiques dans certains problèmes. Pour réaliser leur plein potentiel, il faudra toutefois des machines capables de manipuler environ 1 million de bits quantiques (qubits). C'est un ordre de grandeur supérieur à celui des plus grands processeurs quantiques actuels, et la mise à l'échelle est un défi car les qubits deviennent plus difficiles à produire et à contrôler à mesure que leur nombre augmente.
Par exemple, les ions utilisés comme qubits dans les processeurs quantiques à ions piégés sont généralement maintenus en place par des champs électromagnétiques oscillant aux radiofréquences (RF), et leurs états quantiques sont contrôlés et lus avec des impulsions de lumière laser. Cela fonctionne bien jusqu’à 30 qubits, mais la mise à l’échelle vers des nombres plus élevés est délicate. Combiner des champs RF dans le petit espace d'une seule puce est un défi, et les champs chauffent également le piège, perturbant le comportement quantique des ions. Un autre problème est que la structure des champs RF restreint les emplacements des pièges à une grille linéaire.
Pièges à enclos
L’équipe de l’ETH a résolu ces problèmes en optant pour un type de piège traditionnellement utilisé pour confiner les ions pour des applications telles que la spectroscopie de précision et les simulations quantiques. Ces pièges dits de Penning remplacent les champs RF par de puissants champs magnétiques statiques, ce qui élimine l'échauffement et supprime les restrictions sur la configuration des pièges. Cependant, les champs magnétiques puissants comportent leurs propres défis. Leur présence augmente l'espacement entre les états énergétiques des ions, ce qui rend plus difficile le contrôle de ces états avec la lumière de simples lasers à diode bon marché. Les aimants supraconducteurs qui les produisent sont également volumineux et la lumière laser doit être guidée autour d’eux.
Pour surmonter ces défis, les chercheurs de l'ETH ont construit leur piège de Penning en plaçant une puce microfabriquée (produite par des collègues de l'Université Leibniz de Hanovre, en Allemagne) avec plusieurs électrodes à l'intérieur d'un aimant supraconducteur de 3 Tesla. Un système de miroirs guide les faisceaux laser à verrouillage de phase à travers l’aimant jusqu’aux ions, et l’ensemble de l’installation est placé sous vide et refroidi par cryogénie.
C'est un piège!
Le nouveau piège a répondu aux attentes, confinant un seul ion pendant plusieurs jours et donnant aux chercheurs de l'ETH un contrôle total sur son mouvement et sa position (voir image). Pour tester la viabilité de l'installation pour l'informatique quantique, l'équipe a mesuré le temps de cohérence de l'ion – c'est-à-dire la durée pendant laquelle il reste dans un état quantique – et a montré que ce temps était plus long que le temps nécessaire pour effectuer une opération quantique. Ils ont également montré que les lasers pouvaient contrôler les états énergétiques de l’ion sans perturber sa superposition quantique. Cette capacité permet de créer des états intriqués entre différents qubits et donc d'effectuer des calculs quantiques.
Un nouveau qubit à cavité supraconductrice repousse les limites de la cohérence quantique
Pierre Zoller, physicien de l'Université d'Innsbruck, en Autriche, qui n'a pas participé à ce projet, décrit le piège micro-Penning avec un transport facile des ions comme une « idée rafraîchissante et innovante ». Il ajoute qu’il est formidable de voir les innovations utilisées pour les réseaux d’atomes neutres piégés appliquées aux architectures d’ions piégés. Cependant, il souligne que les capacités du piège n'ont jusqu'à présent été démontrées que pour un seul ion. Il sera intéressant, dit-il, de voir comment il évolue et fonctionne (sous forme de fidélités de porte) avec de nombreux ions, et comment il se compare à des approches alternatives telles que les pièges de surface ou les hippodromes quantiques.
Accueil Jonathan, le chef de l’équipe ETH, convient qu’il est important d’ajouter davantage d’ions. Les prochaines étapes, dit-il Monde de la physique, sera « d’essayer de charger plusieurs ions et d’effectuer des portes multi-qubits entre les ions dans des sites de piège séparés ».
La recherche est publiée dans Nature.
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- La source: https://physicsworld.com/a/new-ion-trapping-approach-could-help-quantum-computers-scale-up/
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