Une expérience record pourrait résoudre un énorme défi en informatique quantique

Deux atomes gonflés à une taille presque comique et refroidis à une fraction au-dessus du zéro absolu ont été utilisés pour générer une porte quantique à deux qubits robuste et incroyablement rapide qui pourrait aider à surmonter certains des défis persistants de l’informatique quantique.

Étant donné qu’une porte à deux qubits est la pierre angulaire des ordinateurs quantiques efficaces, cette percée a d’énormes implications. Cela pourrait conduire à un nouveau type d’architecture d’ordinateur quantique qui dépasserait les limites actuelles des opérations quantiques sans bruit.

Qubit est une contraction, abréviation du terme “bit quantique”. C’est l’équivalent informatique quantique d’un bit conventionnel – l’unité d’information de base sur laquelle repose la technologie informatique.

Pour résoudre un problème à l’ancienne, l’information (et la logique utilisée pour la calculer) est représentée par un système binaire. Comme un interrupteur d’éclairage, les unités composant ce système sont toutes dans un état exclusif d’allumage ou d’extinction. Ou, comme on les décrit souvent, comme un ou un zéro.

Ce qui rend l’informatique quantique tellement plus puissante, c’est que les qubits peuvent être les deux simultanément, dans un état connu sous le nom de superposition quantique. En soi, un qubit n’est pas vraiment un ordinateur. Combinés (ou intriqués) avec les superpositions d’autres qubits, cependant, ils peuvent représenter des algorithmes très puissants.

La porte à deux qubits est une opération logique basée sur l’état quantique de deux qubits intriqués. C’est le composant le plus simple d’un ordinateur quantique, permettant aux qubits d’être à la fois intriqués et lus.

Les scientifiques expérimentent depuis un certain temps des portes quantiques basées sur différents matériaux et ont réalisé des percées extraordinaires. Cependant, un problème est resté important : les superpositions des qubits peuvent se dégrader rapidement et facilement grâce à des sources externes qui s’enchevêtrent également.

Accélérer la porte est le meilleur moyen de résoudre ce problème : puisque cette intrusion est généralement plus lente qu’un millionième de seconde (une microseconde), une porte quantique plus rapide que cela sera capable de “dépasser” le bruit pour produire des calculs.

Pour atteindre cet objectif en utilisant une approche légèrement différente de l’habituelle, une équipe de chercheurs dirigée par le physicien Yeelai Chew des Instituts nationaux des sciences naturelles du Japon s’est tournée vers une configuration compliquée.

Les qubits eux-mêmes sont des atomes du métal rubidium à l’état gazeux. À l’aide de lasers, ces atomes ont été refroidis à un zéro presque absolu et positionnés à une distance précise à l’échelle du micron les uns des autres à l’aide de pincettes optiques – des faisceaux laser qui peuvent être utilisés pour manipuler des objets à l’échelle atomique.

Ensuite, les physiciens ont pulsé les atomes avec des lasers. Cela a projeté les électrons de la distance orbitale la plus proche de chacun des noyaux atomiques dans une séparation orbitale très large, gonflant les atomes dans des objets connus sous le nom d’atomes de Rydberg. Cela a produit un échange périodique de 6,5 nanosecondes de forme orbitale et d’énergie électronique entre les atomes désormais énormes.

En utilisant plus d’impulsions laser, l’équipe de recherche a pu effectuer une opération de porte quantique entre les deux atomes. La vitesse de cette opération était de 6,5 milliardièmes de seconde (nanosecondes) – plus de 100 fois plus rapide que toutes les expériences précédentes avec des atomes de Rydberg, ont déclaré les chercheurs, ce qui établit un nouveau record pour les portes quantiques basées sur ce type particulier de technologie.

Cela ne bat pas tout à fait le record global des opérations de porte quantique à deux qubits les plus rapides à ce jour. Cela a été réalisé en 2019, en utilisant des atomes de phosphore dans du silicium, atteignant un temps époustouflant de 0,8 nanoseconde ; mais le nouveau travail implique une approche différente qui pourrait contourner certaines des limitations d’autres types actuellement en développement.

De plus, l’exploration de différentes architectures pourrait conduire à des indices qui aident à minimiser les lacunes d’autres types de matériel.

Les prochaines étapes, selon l’équipe, sont assez claires. Ils doivent remplacer le laser commercial par un laser spécialement conçu, afin d’améliorer la précision, car le laser peut contribuer au bruit ; et mettre en œuvre de meilleures techniques de contrôle.

La recherche a été publiée dans Photonique de la nature.

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