C?blage optique pour les grands ordinateurs quantiques

Il n'est pas facile de toucher un point précis sur un écran avec un pointeur laser pendant une présentation - même le plus petit tremblement nerveux dans la main se transforme en une énorme pagaille sur l'écran éloigné. Imaginez maintenant que vous deviez faire cela avec plusieurs pointeurs laser en même temps. Les physiciens qui veulent construire des ordinateurs quantiques à l'aide d'atomes individuels piégés ont exactement le même problème. Eux aussi doivent viser avec des faisceaux laser - des centaines, voire des milliers dans le même appareil - sur plusieurs mètres avec une telle précision que les zones de quelques micromètres seulement dans lesquelles se trouvent les atomes soient touchées. Toute vibration involontaire dans l'appareil perturbe sensiblement le fonctionnement de l'ordinateur quantique.

? l'ETH Zurich, Jonathan Home et ses collaborateurs de l'Institut d'électronique quantique viennent de démontrer une nouvelle méthode permettant de diriger avec précision plusieurs faisceaux laser vers les bons endroits d'une puce, et ce de manière si stable que même les opérations quantiques les plus sensibles peuvent être effectuées sur les atomes.

Objectif à long terme : l'ordinateur quantique

Construire des ordinateurs quantiques est un objectif ambitieux des physiciens depuis plus de trente ans. Des ions piégés dans des champs électriques, c'est-à-dire des atomes chargés électriquement, se sont avérés être des candidats idéaux pour les bits quantiques ou qubits avec lesquels les ordinateurs quantiques calculent. Jusqu'à présent, il a été possible de réaliser de cette manière des mini-ordinateurs avec une douzaine de qubits. "Mais si l'on veut construire des ordinateurs quantiques avec plusieurs milliers de qubits, comme on en aura probablement besoin pour des applications pratiques importantes, les systèmes actuels se heurtent à quelques obstacles majeurs", explique Karan Mehta, post-doctorant dans le laboratoire de Home et premier auteur de l'étude qui vient de para?tre dans la revue spécialisée "Nature". Concrètement, il s'agit de savoir comment diriger des faisceaux laser sur plusieurs mètres, du laser vers un appareil à vide, puis finalement avec précision dans un cryostat, dans lequel les pièges à ions sont refroidis à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, afin de minimiser les perturbations thermiques.

La structure optique comme obstacle

"L'optique traditionnelle est déjà une source importante de bruit et d'erreurs dans les systèmes actuels à petite échelle - et il devient de plus en plus difficile de la ma?triser à mesure que les ordinateurs deviennent plus grands", explique Mehta. Plus on ajoute de qubits, plus l'optique des faisceaux laser nécessaires au contr?le des qubits devient complexe. "C'est là qu'intervient notre concept", ajoute Chi Zhang, doctorant dans le groupe de travail de Home : "En intégrant de minuscules guides d'ondes dans les puces, sur lesquelles se trouvent les électrodes pour capturer les ions, nous pouvons diriger la lumière directement vers les ions. Les vibrations du cryostat ou d'autres composants provoquent donc beaucoup moins de perturbations".

Les chercheurs ont fait fabriquer dans une usine de semi-conducteurs commerciale des puces qui contiennent à la fois des électrodes en or pour les pièges à ions et, dans une couche plus profonde, des guides d'ondes pour la lumière laser. ? une extrémité des puces, des fibres optiques alimentent la lumière dans les guides d'ondes de seulement 100 nanomètres, ce qui permet de c?bler optiquement les puces à l'intérieur. Chaque guide d'ondes mène à un point précis de la puce, où la lumière est finalement redirigée vers les ions capturés à la surface.

Un travail publié il y a quelques années (par certains des auteurs de l'étude actuelle, en collaboration avec des chercheurs du MIT et du Lincoln Laboratory local) avait déjà montré que cette approche fonctionne en principe. Le groupe de l'ETH a maintenant développé la technique et l'a affinée au point qu'elle permet d'exécuter des portes logiques quantiques à faible erreur entre différents atomes, une condition importante pour la construction d'ordinateurs quantiques.

Portes logiques à haute fidélité

Dans une puce informatique traditionnelle, des opérations logiques telles que AND ou NOT sont effectuées à l'aide de grilles logiques. Si l'on veut construire un ordinateur quantique, celui-ci doit être en mesure d'effectuer de telles opérations logiques sur les qubits. Le problème est que les portes logiques quantiques qui agissent sur deux qubits ou plus sont particulièrement sensibles aux perturbations. En effet, elles créent des états fragiles de la mécanique quantique, également connus sous le nom d'états d'intrication, dans lesquels deux ions se trouvent simultanément en superposition.

 

Dans une telle superposition, une mesure sur l'un des ions influence le résultat de la mesure sur l'autre ion, sans que les deux soient en contact direct. La qualité de la production de ces états de superposition - c'est-à-dire la qualité des portes logiques - s'exprime à l'aide de ce que l'on appelle la fidélité de reproduction. "Avec la nouvelle puce, nous avons pu exécuter des portes logiques à deux qubits et les utiliser pour créer des états de superposition avec une fidélité qui n'a été atteinte jusqu'à présent que dans les meilleures expériences conventionnelles", explique Maciej Malinowski, qui a également participé à l'expérience en tant que doctorant.

Les chercheurs ont ainsi démontré que leur nouvelle approche sera intéressante pour les futurs ordinateurs quantiques à piège à ions, car elle est non seulement extrêmement stable, mais aussi justement évolutive. Ils étudient actuellement différentes puces qui permettront de contr?ler jusqu'à dix qubits simultanément. Ils travaillent également sur de nouveaux designs pour des opérations quantiques rapides et précises, rendues possibles par le c?blage optique.