Une paire d’ions piégés pourrait aider à développer les ordinateurs quantiques

Parmi les nombreuses approches divergentes pour construire un ordinateur quantique pratique, l’une des voies les plus prometteuses mène aux pièges à ions. Dans ces pièges, les ions simples sont maintenus immobiles et servent d’unités de base des données, ou qubits, de l’ordinateur. À l’aide de lasers, ces qubits interagissent les uns avec les autres pour effectuer des opérations logiques.

Les expériences en laboratoire avec un petit nombre d’ions piégés fonctionnent bien, mais il reste beaucoup de travail à faire pour trouver les éléments de base d’un ordinateur quantique à piégeage d’ions évolutif. Quel type d’ions faut-il utiliser ? Quelles technologies seront capables de contrôler, de manipuler et de lire les informations quantiques stockées dans ces ions ?

Pour répondre à ces questions, les chercheurs du Lincoln Laboratory du MIT se sont tournés vers un couple prometteur : les ions de calcium (Ca) et de strontium (Sr). Dans un article publié dans npj Informations sur les quantaL’équipe décrit l’utilisation de ces ions pour effectuer des opérations de logique quantique et les trouve favorables à de multiples architectures de calcul quantique. Parmi leurs avantages, ces ions peuvent être manipulés en utilisant la lumière visible et infrarouge, contrairement à l’ultraviolet, qui est nécessaire pour de nombreux types d’ions utilisés dans les expériences. Contrairement à la lumière ultraviolette, il existe déjà une technologie capable de fournir de la lumière visible et infrarouge à un large éventail d’ions piégés.

« Quel type d’architecture de traitement quantique de l’information est réalisable pour les ions piégés ? S’il s’avère qu’il sera beaucoup plus difficile d’utiliser une certaine espèce d’ions, il serait important de le savoir dès le début, avant de s’engager dans cette voie », déclare John ChiaveriniLes cadres supérieurs de l Groupe sur l’information quantique et les nanosystèmes intégrés. « Nous pensons que nous n’aurons pas à inventer un tout nouveau système technique, ni à résoudre un tout nouveau groupe de problèmes, en utilisant ces espèces d’ions ».

Froid et calcul

Pour piéger les ions, les scientifiques commencent par une chambre à vide en acier, abritant des électrodes sur une puce qui est refroidie à près de 450 degrés sous zéro Fahrenheit. Les atomes de Ca et de Sr affluent dans la chambre. De multiples lasers arrachent des électrons aux atomes, transformant les atomes de Ca et de Sr en ions. Les électrodes génèrent des champs électriques qui captent les ions et les maintiennent à 50 micromètres au-dessus de la surface de la puce. D’autres lasers refroidissent les ions, les maintenant dans le piège.

Ensuite, les ions sont rassemblés pour former un cristal de Ca+/Sr+. Chaque type d’ion joue un rôle unique dans ce partenariat. Le Sr ion abrite le qubit pour le calcul. Pour résoudre un problème, un ordinateur quantique veut connaître le niveau d’énergie, ou l’état quantique, de l’électron le plus éloigné d’un ion. L’électron peut être dans son niveau d’énergie le plus bas ou dans son état fondamental (indiqué), dans un niveau d’énergie plus élevé ou dans un état excité (indiqué), ou dans les deux états à la fois. Cette étrange capacité d’être dans plusieurs états simultanément s’appelle la superposition, et c’est ce qui donne aux ordinateurs quantiques la puissance d’essayer plusieurs solutions possibles à un problème à la fois.

Mais la superposition est difficile à maintenir. Une fois qu’un qubit est observé – par exemple, en utilisant une lumière laser pour voir à quel niveau d’énergie se trouve son électron – il s’effondre en 1 ou 0. Pour fabriquer un ordinateur quantique pratique, les scientifiques doivent trouver des moyens de mesurer les états d’un sous-ensemble seulement des qubits de l’ordinateur sans perturber l’ensemble du système.

Cette nécessité nous ramène au rôle du Ca ion – le qubit d’aide. Avec une masse similaire à celle de l’ion Sr, il retire de l’énergie supplémentaire à l’ion Sr pour le garder au frais et l’aider à conserver ses propriétés quantiques. Des impulsions laser poussent ensuite les deux ions à s’entremêler, formant une porte par laquelle l’ion Sr peut transférer ses informations quantiques à l’ion Ca.

« Lorsque deux qubits sont enchevêtrés, leurs états sont dépendants l’un de l’autre. Ils sont soi-disant « effrayamment corrélés » », a déclaré M. Chiaverini. Cette corrélation signifie que la lecture de l’état d’un qubit vous indique l’état de l’autre. Pour lire cet état, les scientifiques interrogent l’ion Ca avec un laser à une longueur d’onde avec laquelle seul l’électron de l’ion Ca va interagir, laissant l’ion Sr intact. Si l’électron est à l’état de sol, il émettra des photons, qui sont collectés par des détecteurs. L’ion restera sombre s’il est dans un état métastable excité.

« Ce qui est bien avec l’utilisation de cet ion auxiliaire pour la lecture, c’est que nous pouvons utiliser des longueurs d’onde qui n’ont pas d’impact sur les ions informatiques qui l’entourent ; l’information quantique reste saine. L’ion auxiliaire a donc une double fonction : il retire l’énergie thermique de l’ion Sr et a une faible diaphonie lorsque je veux lire ce seul qubit », explique Colin Bruzewicz, qui a construit le système et mené l’expérimentation.

La fidélité de l’enchevêtrement Ca+/Sr+ dans leur expérience était de 94 %. La fidélité est la probabilité que la porte entre les deux qubits ait produit l’état quantique attendu – que l’intrication ait fonctionné. La fidélité de ce système est suffisamment élevée pour démontrer la fonctionnalité de base de la logique quantique, mais pas encore assez pour un ordinateur quantique entièrement corrigé des erreurs. L’équipe a également enchevêtré des ions dans différentes configurations, comme les deux ions aux extrémités d’une chaîne Sr+/Ca+/Sr+, avec une fidélité similaire.

Une correspondance de longueur d’onde

Actuellement, le dispositif de piégeage d’ions est important et chorégraphie l’utilisation de 12 lasers de couleurs différentes. Ces lasers passent par des fenêtres dans la chambre cryogénique et sont destinés à frapper les ions. Un ordinateur quantique pratique – qui peut résoudre les problèmes mieux qu’un ordinateur classique – aura besoin d’une matrice de milliers, voire de millions d’ions. Dans ce scénario, il serait pratiquement impossible de frapper précisément les bons ions sans perturber les états quantiques des ions voisins. Les chercheurs du Lincoln Laboratory travaillent depuis plusieurs années sur un moyen de faire monter les lasers à travers des « réseaux » dans la puce sur laquelle les ions planent. Ce puce photonique intégrée simplifie la configuration et garantit que le bon laser atteint la cible visée. L’année dernière, l’équipe a réalisé la toute première démonstration réussie d’une plateforme photonique intégrée à faibles pertes, avec une diffusion de la lumière allant du spectre visible à l’infrarouge.

De manière pratique, les longueurs d’onde nécessaires au refroidissement des ions Ca et Sr, à leur enchevêtrement et à leur lecture se situent toutes dans ce même spectre. Ce chevauchement simplifie les exigences du système en matière de laser, contrairement à d’autres appariements d’ions qui nécessitent chacun des longueurs d’onde très différentes. « Ces ions se prêtent à être utilisés avec la photonique intégrée. Ils correspondent à une longueur d’onde. Il est logique, du point de vue de l’ingénierie, de les utiliser », déclare M. Bruzewicz.

En outre, de nombreux types d’ions piégés que les scientifiques quantiques explorent ont besoin de lumière ultraviolette pour être excités. Mais la lumière ultraviolette peut être difficile à utiliser. Les guides d’ondes et autres dispositifs photoniques qui transportent la lumière vers les ions ont tendance à perdre une partie de la lumière en cours de route. L’envoi de lumière ultraviolette à des systèmes à ions piégés à grande échelle nécessiterait beaucoup plus d’énergie, ou la mise au point de nouveaux matériaux qui subissent moins de pertes.

« Il est beaucoup plus simple de travailler avec cette lumière qu’avec l’ultraviolet, surtout quand on commence à mettre ensemble beaucoup de ces ions. Mais c’est là que réside le défi : personne ne sait vraiment quel type d’architecture permettra un calcul quantique utile. Le jury n’est pas encore constitué », réfléchit M. Chiaverini. « Dans ce cas, nous réfléchissons à ce qui pourrait être le plus avantageux pour l’élargissement d’un système. Ces ions s’y prêtent très bien ».