Les bits quantiques pris au piège
Dans le laboratoire de Jonathan Home, des appareils qui remplissent l'espace emprisonnent de minuscules ions pour les faire passer dans des états quantiques spéciaux - peut-être un premier pas vers la construction d'un ordinateur quantique.
Jonathan Home doit expliquer ce qu'est et ce que peut un ordinateur quantique lors de la conférence TED, un rendez-vous international de l'innovation devenu culte, qui débute le 16 mars à Vancouver, au Canada. En tant que TED Fellow, le professeur de l'ETH fait partie, selon les organisateurs, d'un groupe de jeunes précurseurs qui ont accompli des choses extraordinaires. Mais le Britannique de 34 ans se montre modeste : "Ma priorité est de faire fonctionner de manière optimale le groupe de recherche ici à l'ETH", et il se réjouit lorsque ses étudiants apportent eux-mêmes de nouvelles idées lors des réunions hebdomadaires du groupe. "C'est très amusant".
Contr?ler des atomes individuels avec une précision extrême et construire des systèmes quantiques à partir de ces atomes : Tel est l'objectif de l'équipe de recherche de Home, composée de 13 personnes. Son laboratoire se trouve à l'Institut d'électronique quantique sur le campus du H?nggerberg. Une bo?te noire d'un mètre et demi de haut, contenant un laser, est le point de départ des expériences. Elle contient la même technique que celle utilisée pour les horloges atomiques modernes. Mais ici, nous ne mesurons pas le temps", explique le physicien : "Nous utilisons les atomes comme des bits quantiques et nous nous intéressons à ce qui se passe lorsque nous relions ces types entre eux, c'est-à-dire lorsqu'un atome chargé en pousse un autre." Cela se passe dans un "piège à ions" installé dans la pièce voisine.
Refroidissement par lumière laser
D'innombrables miroirs, lentilles et cristaux sont disposés sur une grande table. Ils dirigent des rayons laser de différentes fréquences vers le piège à ions qui se trouve dans une chambre ronde au fond de la pièce. Comme le c?ur n'est pas visible à l'?il nu, Jonathan Home montre une petite carte de circuit imprimé qui n'est pas encore installée et sur laquelle est monté un carré de métal de quelques centimètres de c?té. "Au milieu, il y a une fente de 10 à 100 micromètres de large ; c'est un piège à ions", explique-t-il. Des atomes de calcium ou de béryllium chargés individuellement y sont placés dans le vide, entourés de minuscules électrodes en or qui permettent de déplacer ces ions le long de la fente.
La lumière laser sert entre autres à refroidir les ions. Elle permet d'extraire l'énergie cinétique d'une particule individuelle. Des impulsions laser sur mesure permettent de refroidir un ion jusqu'à ce qu'il atteigne son état fondamental en termes de mécanique quantique. Dans leur dernière expérience, les chercheurs ne voulaient toutefois pas obtenir un état quantique unique, mais une superposition de plusieurs états spéciaux. "Pour cela, nous avons modifié le refroidissement", explique Jonathan Home. Un système sophistiqué de faisceaux laser de différentes fréquences a été contr?lé par une électronique développée en laboratoire.
Stable pendant le week-end
Le spécialiste tente d'expliquer ce qui en est ressorti de la manière la plus claire possible pour le profane : En mécanique quantique, on peut considérer un atome comme un paquet d'ondes. Dans un type d'état, ce paquet a une taille fixe et se déplace en va-et-vient comme un pendule. "Mais le paquet peut aussi devenir plus petit et plus grand, comme s'il respirait", explique Jonathan Home : "C'est ce que nous appelons un état écrasé". Dans leur expérience, les chercheurs ont réussi à créer une superposition spéciale de tels états avec une nouvelle méthode, comme ils l'ont rapporté fin décembre dans la revue spécialisée "Science".
"Ce qui est particulièrement intéressant avec notre méthode de refroidissement, c'est que ces états restent stables pendant longtemps", explique le physicien, "on peut les créer et les maintenir pendant tout le week-end. Comme la méthode est si robuste, elle permettra peut-être de simuler des systèmes physiques complexes, ce qui n'est pas possible avec des ordinateurs classiques. Les chercheurs ne savent pas encore si le contr?le précis des états quantiques des différents ions permettra un jour de construire un ordinateur quantique.
Du laboratoire du prix Nobel à Zurich
Jonathan Home a acquis les outils nécessaires à la réalisation de ces expériences raffinées, notamment aux ?tats-Unis, auprès du lauréat du prix Nobel David Wineland au célèbre National Institute of Standards and Technology (NIST) de Boulder, où il a travaillé après sa formation à l'Université d'Oxford. Avec des camarades d'études, il s'est également engagé il y a dix ans dans un projet de bibliothèque et de formation au Rwanda. En ce qui concerne la physique, l'entreprise n'a pas été très fructueuse, admet-il ouvertement : "Mais sur le plan émotionnel, le séjour au Rwanda a été une expérience importante".
Jonathan Home aimerait bien retourner une fois en Afrique. Mais pour l'instant, il ne se réjouit pas particulièrement des invitations et des voyages à l'étranger. En effet, il y a un peu plus d'un an, sa femme a donné naissance à leur premier enfant. Depuis, la famille a la priorité et le violon, sur lequel il s'exer?ait deux heures par jour lorsqu'il était adolescent, reste dans la bo?te. Mais le jeune professeur de physique ne veut en aucun cas se plaindre d'avoir trop de travail : "J'ai un super job", dit-il avec enthousiasme. L'ETH lui offre un environnement idéal pour mener à bien ses recherches exigeantes. Il peut également compter sur le soutien enthousiaste du personnel technique. "De tels spécialistes font défaut dans la plupart des autres universités", dit-il.
Et comment expliquera-t-il le fonctionnement d'un ordinateur quantique aux profanes en sciences naturelles lors de la conférence TED ? "Nous pouvons faire passer ces atomes dans deux états en même temps, chacun se comportant comme une petite horloge, mais dans laquelle nous pouvons contr?ler le temps avec précision", explique le physicien. On peut mettre une quantité énorme de chiffres dans ce système et les traiter simultanément. Mais comment reconna?tre le bon résultat ? Pour cela, on peut à nouveau penser à des vagues qui se superposent, explique Jonathan Home : "Si vous allez à la mer et que vous voyez une pointe de vague sortir de l'eau, cela correspond à la solution du problème".
Référence bibliographique
D. Kienzler, H.-Y. Lo, B. Keitch, L. de Clercq, F. Leupold, F. Lindenfelser, M. Marinelli, V. Negnevitsky, J. P. Home : Quantum harmonic oscillator state synthesis by reservoir engineering, Science, Vol. 347, no. 6217 pp. 53-56, DOI : page externe10.1126/science.1261033
