« Superatomes géants » : une nouvelle boîte à outils pour les ordinateurs quantiques

Il est prévu que les ordinateurs quantiques révolutionnent les technologies dans des domaines tels que le développement de médicaments et le chiffrement en s’attaquant à des problèmes bien au-delà des capacités des ordinateurs actuels. Cependant, la réalisation pratique des ordinateurs quantiques a été ralentie par un défi fondamental connu sous le nom de décohérence – la tendance des bits quantiques, ou qubits, à perdre de l’information lors de l’interaction avec leur environnement. Même de minuscules perturbations dues au bruit électromagnétique peuvent détruire les effets quantiques délicats nécessaires à un calcul fiable.

« Les systèmes quantiques sont extraordinairement puissants mais aussi extrêmement fragiles. La clé pour les rendre utiles est d’apprendre à contrôler leur interaction avec l’environnement », affirme Lei Du, chercheur postdoctoral en technologie quantique appliquée à Chalmers.

Lei Du est le premier auteur d’un article scientifique présentant le modèle théorique de un système quantique entièrement nouveau développé par une équipe de recherche de Chalmers. Leur système est basé sur le concept novateur de superatomes géants et rassemble plusieurs propriétés clés. Il supprime la décohérence et est stable, tout en comprenant simultanément de multiples « atomes » étroitement interconnectés qui agissent collectivement.

Les superatomes géants combinent deux constructions quantico-mécaniques différentes : les atomes géants et les superatomes. Ceux-ci ont été explorés séparément ces dernières années mais n’avaient jamais été combinés auparavant. Ils se comportent comme des atomes mais ne sont pas des atomes naturels. Ce sont plutôt des structures artificielles que les physiciens ont appris à concevoir (voir l’encadré ci-dessous).

Des atomes géants avec un écho quantique

Le concept d’atome géant a été forgé par des chercheurs de Chalmers il y a un peu plus d’une décennie et est depuis devenu un terme standard dans le domaine. Un atome géant est le plus souvent conçu comme un qubit (qui est la plus petite unité d’information quantique). L’atome possède de multiples points de couplage spatialement séparés à une onde lumineuse ou sonore, lui permettant d’interagir avec son environnement en plusieurs endroits simultanément. Cela permet à l’atome géant de protéger l’information quantique.

« Les ondes qui quittent un point de connexion peuvent se propager dans l’environnement et revenir affecter l’atome à un autre point – un peu comme entendre un écho de sa propre voix avant d’avoir fini de parler. Cette auto-interaction conduit à des effets quantiques très bénéfiques, réduit la décohérence et donne au système une forme de mémoire des interactions passées », explique Anton Frisk Kockum, professeur associé de physique quantique appliquée à Chalmers et co-auteur de l’étude.

Permettre à l’intrication d’être distribuée sur de longues distances

Si les atomes géants ont déjà fait progresser notre compréhension de la physique quantique, leur capacité à exploiter un autre phénomène quantique clé – l’intrication – a jusqu’à présent été limitée. L’intrication permet à de multiples qubits de partager un état quantique unique et d’opérer comme un système unifié. C’est une condition préalable à la construction d’ordinateurs quantiques puissants et à grande échelle.

Les chercheurs ont résolu ce problème en combinant les atomes géants avec le concept de superatome. Un superatome est une structure comprenant plusieurs atomes naturels qui partagent un état quantique commun et se comportent collectivement comme un atome unique, plus grand.

Il est anticipé que cette combinaison facilitera désormais la création des états quantiques avancés cruciaux pour la future communication quantique, les réseaux quantiques et les capteurs extrêmement sensibles.

« Un superatome géant peut être imaginé comme de multiples atomes géants travaillant ensemble comme une seule entité, présentant une interaction non locale entre la lumière et la matière. Cela permet de stocker et de contrôler l’information quantique provenant de multiples qubits au sein d’une seule unité, sans nécessiter de circuits environnants de plus en plus complexes », explique Lei Du.

« Les superatomes géants ouvrent la porte à des capacités entièrement nouvelles, nous offrant une nouvelle boîte à outils puissante. Ils nous permettent de contrôler l’information quantique et de créer de l’intrication de manières qui étaient auparavant extrêmement difficiles, voire impossibles », souligne Janine Splettstoesser, professeure de physique quantique appliquée à Chalmers et co-auteure de l’étude.

Une étape clé vers des ordinateurs quantiques évolutifs

Les résultats ouvrent de nouvelles opportunités pour construire des systèmes quantiques évolutifs et fiables, les chercheurs prévoyant maintenant de passer de la théorie à la fabrication du système quantique. Leur concept pourrait également être combiné avec d’autres types de systèmes quantiques ; par exemple, comme un bloc de construction pour connecter plusieurs systèmes.

« Il existe actuellement un vif intérêt pour les approches hybrides, dans lesquelles différents systèmes quantiques travaillent ensemble, car chacun a ses propres forces », déclare Anton Frisk Kockum. « Notre recherche montre qu’une conception intelligente peut réduire le besoin d’un matériel de plus en plus complexe et les superatomes géants nous rapprochent d’un pas de la technologie quantique applicable en pratique. »

En savoir plus : Méthodes pour protéger, contrôler et distribuer l’information quantique

L’étude de Chalmers démontre comment l’interaction entre les superatomes géants et la lumière dépend de leurs états quantiques internes. Cette compréhension a donné aux chercheurs un plus grand contrôle sur la façon dont l’information quantique se propage à travers un système et ils décrivent deux manières distinctes de coupler les atomes pour produire des effets très utiles.

Dans une configuration, plusieurs superatomes géants sont étroitement couplés dans un agencement spécifique, leur permettant de transférer leurs états quantiques les uns aux autres sans décohérence. En d’autres termes, il n’y a aucune perte d’information.

Dans la seconde configuration, les atomes sont placés plus éloignés mais connectés d’une manière soigneusement assortie afin que les ondes lumineuses ou sonores restent en phase. Cela permet d’envoyer des signaux quantiques dans des directions spécifiques, permettant à l’intrication d’être distribuée sur de grandes distances.

En savoir plus : Superatomes et atomes géants en physique quantique

Les superatomes et les atomes géants ne sont pas des atomes naturels ; ce sont des structures artificielles qui se comportent comme des atomes.

Le terme superatome fait référence à une construction quantico-mécanique constituée de plusieurs atomes naturels qui, ensemble, se comportent comme un atome unique, plus grand. Ils partagent un état quantique commun et répondent à la lumière comme s’ils étaient une seule entité quantique.

Le terme atome géant fait référence à une structure avec de multiples points de couplage spatialement séparés à une onde lumineuse ou sonore. L’atome est dit « géant » car, contrairement aux atomes naturels, il est plus grand que la longueur d’onde de la lumière avec laquelle il interagit.

Les atomes géants ont des niveaux d’énergie bien définis et sont régis par les principes de la mécanique quantique, mais ils peuvent atteindre des tailles de l’ordre du millimètre et être ainsi visibles à l’œil nu. Grâce aux ondes électromagnétiques ou acoustiques, ils peuvent interagir avec leur environnement en plusieurs endroits spatialement séparés simultanément. On peut imaginer un seul atome « connecté » à une onde lumineuse ou sonore en de multiples points largement espacés. Cette forme inhabituelle de couplage permet à l’atome d’être influencé par les ondes mêmes qu’il émet.

Article : Dressed Interference in Giant Superatoms: Entanglement Generation and Transfer – Journal : Physical Review Letters – Méthode : Computational simulation/modeling – DOI : Lien vers l’étude

Source : Chalmers U.