Une méthode de refroidissement efficace pourrait permettre la réalisation d’ordinateurs quantiques à ions piégés sur puce

Adam Zewe

Les ordinateurs quantiques pourraient résoudre rapidement des problèmes complexes qui prendraient des décennies aux supercalculateurs classiques les plus puissants. Mais ils devront être suffisamment grands et stables pour effectuer des opérations de manière efficace. Pour relever ce défi, des chercheurs du MIT et d’ailleurs développent des ordinateurs quantiques à ions piégés basés sur des puces photoniques ultra-compactes. Ces systèmes sur puce offrent une alternative évolutive aux ordinateurs quantiques à ions piégés existants, qui reposent sur un équipement optique encombrant.

Les ions dans ces ordinateurs quantiques doivent être refroidis à des températures extrêmement basses pour minimiser les vibrations et éviter les erreurs. Jusqu’à présent, ces systèmes à ions piégés basés sur des puces photoniques étaient limités à des méthodes de refroidissement inefficaces et lentes.

Désormais, une équipe de chercheurs du MIT et du MIT Lincoln Laboratory a mis en œuvre une méthode beaucoup plus rapide et économe en énergie pour refroidir les ions piégés à l’aide de puces photoniques. Leur approche a permis un refroidissement d’environ 10 fois en dessous de la limite du refroidissement laser standard.

Au cœur de cette technique se trouve une puce photonique qui intègre des antennes précisément conçues pour manipuler des faisceaux de lumière croisés et très focalisés.

Cette démonstration initiale des chercheurs constitue une étape clé vers des architectures scalables sur puce qui pourraient un jour permettre des systèmes de calcul quantique plus efficaces et stables.

« Nous avons pu concevoir des dispositifs intégrés-photoniques à polarisation diversifiée, les utiliser pour développer une variété de nouveaux systèmes basés sur l’intégration photonique, et les appliquer pour démontrer un refroidissement ionique très efficace. Cependant, ce n’est que le début de ce que nous pouvons faire avec ces dispositifs. En introduisant la diversité de polarisation dans les systèmes à ions piégés basés sur l’intégration photonique, ce travail ouvre la porte à une variété d’opérations avancées pour les ions piégés qui n’étaient pas réalisables auparavant, au-delà même du refroidissement efficace des ions — autant de directions de recherche que nous sommes impatients d’explorer à l’avenir », explique Jelena Notaros, professeure associée en développement de carrière Robert J. Shillman en génie électrique et informatique (EECS) au MIT, membre du Research Laboratory of Electronics, et auteure principale d’un article sur cette architecture.*

À la recherche d’évolutivité

Bien qu’il existe de nombreux types de systèmes quantiques, cette recherche se concentre sur l’informatique quantique à ions piégés. Dans cette application, une particule chargée appelée ion est formée en arrachant un électron à un atome, puis piégée à l’aide de signaux radiofréquence et manipulée avec des signaux optiques.

Les chercheurs utilisent des lasers pour encoder des informations dans l’ion piégé en changeant son état. Ainsi, l’ion peut être utilisé comme un bit quantique, ou qubit. Les qubits sont les éléments de base d’un ordinateur quantique.

Pour éviter les collisions entre les ions et les molécules de gaz dans l’air, les ions sont maintenus dans le vide, souvent créé avec un dispositif appelé cryostat. Traditionnellement, des lasers encombrants se trouvent à l’extérieur du cryostat et envoient différents faisceaux lumineux à travers les fenêtres du cryostat vers la puce. Ces systèmes nécessitent une pièce remplie de composants optiques pour adresser seulement quelques dizaines d’ions, ce qui rend difficile la mise à l’échelle vers le grand nombre d’ions nécessaire pour l’informatique quantique avancée. De légères vibrations à l’extérieur du cryostat peuvent également perturber les faisceaux lumineux, réduisant ainsi la précision de l’ordinateur quantique.

Pour contourner ces défis, les chercheurs du MIT ont développé des systèmes basés sur l’intégration photonique. Dans ce cas, la lumière est émise depuis la même puce qui piège l’ion. Cela améliore l’évolutivité en éliminant le besoin de composants optiques externes.

« Désormais, nous pouvons envisager d’avoir des milliers de sites sur une seule puce qui interagissent avec de nombreux ions, tous travaillant ensemble de manière évolutive », affirme Knollmann.

Mais les démonstrations basées sur l’intégration photonique à ce jour n’ont atteint que des efficacités de refroidissement limitées. 

Maintenir le refroidissement

Pour permettre des opérations quantiques rapides et précises, les chercheurs utilisent des champs optiques pour réduire l’énergie cinétique de l’ion piégé. Cela refroidit l’ion jusqu’à près du zéro absolu, une température effective encore plus froide que ce que les cryostats peuvent atteindre.

Mais les méthodes courantes ont un plancher de refroidissement plus élevé, de sorte que l’ion conserve encore beaucoup d’énergie vibratoire après le processus de refroidissement. Cela rendrait difficile l’utilisation des qubits pour des calculs de haute qualité.

Les chercheurs du MIT ont utilisé une approche plus complexe, connue sous le nom de refroidissement par gradient de polarisation, qui implique l’interaction précise de deux faisceaux lumineux.

Chaque faisceau lumineux a une polarisation différente, ce qui signifie que le champ dans chaque faisceau oscille dans une direction différente (haut et bas, côté à côté, etc.). Là où ces faisceaux se croisent, ils forment un vortex tournant de lumière qui peut forcer l’ion à arrêter de vibrer encore plus efficacement.

Bien que cette approche ait été démontrée auparavant avec des optiques en vrac, elle n’avait jamais été montrée avec l’intégration photonique.

Pour permettre cette interaction plus complexe, les chercheurs ont conçu une puce avec deux antennes nanométriques, qui émettent des faisceaux lumineux hors de la puce pour manipuler l’ion au-dessus.

Ces antennes sont connectées par des guides d’onde qui acheminent la lumière vers les antennes. Les guides d’onde sont conçus pour stabiliser le routage optique, ce qui améliore la stabilité du motif de vortex généré par les faisceaux.

« Lorsque nous émettons de la lumière à partir d’antennes intégrées, elle se comporte différemment qu’avec des optiques en vrac. Les faisceaux et les motifs lumineux générés deviennent extrêmement stables. Avoir ces motifs stables nous permet d’explorer les comportements des ions avec un contrôle bien plus important », explique Clements.

Les chercheurs ont également conçu les antennes pour maximiser la quantité de lumière atteignant l’ion. Chaque antenne possède de petites encoches incurvées qui diffusent la lumière vers le haut, espacées de manière à diriger la lumière vers l’ion.

« Nous nous sommes appuyés sur de nombreuses années de développement au Lincoln Laboratory pour concevoir ces réseaux afin d’émettre des polarisations de lumière diversifiées », souligne Corsetti.

Ils ont expérimenté plusieurs architectures, caractérisant chacune pour mieux comprendre comment elle émettait de la lumière.

Avec leur conception finale, les chercheurs ont démontré un refroidissement ionique près de 10 fois en dessous de la limite du refroidissement laser standard, appelée limite Doppler. Leur puce a pu atteindre cette limite en environ 100 microsecondes, plusieurs fois plus vite que d’autres techniques.

« La démonstration de performances améliorées grâce à l’optique intégrée dans la puce à piège ionique jette les bases d’une intégration plus poussée qui peut permettre de nouvelles approches pour la manipulation d’états quantiques, et qui pourrait améliorer les perspectives du traitement pratique de l’information quantique », ajoute Chiaverini. « La clé de cette avancée a été la collaboration inter-instituts entre le campus du MIT et les groupes de Lincoln, un modèle sur lequel nous pouvons nous appuyer pour les prochaines étapes ».

À l’avenir, l’équipe prévoit de mener des expériences de caractérisation sur différentes architectures de puces et de démontrer le refroidissement par gradient de polarisation avec plusieurs ions. De plus, ils espèrent explorer d’autres applications qui pourraient bénéficier des faisceaux lumineux stables qu’ils peuvent générer avec cette architecture.

Les autres auteurs ayant contribué à cette recherche sont Ashton Hattori (MIT), Zhaoyi Li (MIT), Milica Notaros (MIT), Reuel Swint (Lincoln Laboratory), Tal Sneh (MIT), Patrick Callahan (Lincoln Laboratory), May Kim (Lincoln Laboratory), Aaron Leu (MIT), Gavin West (MIT), Dave Kharas (Lincoln Laboratory), Thomas Mahony (Lincoln Laboratory), Colin Bruzewicz (Lincoln Laboratory), Cheryl Sorace-Agaskar (Lincoln Laboratory), Robert McConnell (Lincoln Laboratory) et Isaac Chuang (MIT).

* Elle est rejointe dans l’article par les premiers auteurs Sabrina Corsetti, étudiante diplômée en EECS ; Ethan Clements, ancien postdoctorant maintenant chercheur au MIT Lincoln Laboratory ; Felix Knollmann, étudiant diplômé du département de physique ; John Chiaverini, membre senior du personnel technique du Lincoln Laboratory et chercheur principal au Center for Quantum Engineering du MIT ; ainsi que d’autres collaborateurs du Lincoln Laboratory et du MIT. La recherche est publiée aujourd’hui dans deux publications conjointes dans Light: Science and Applications et Physical Review Letters.

DOI : Lien vers l’étude