Des puces laser intégrées stabilisées réalisant des opérations d’horloge et quantiques sur un qubit à ion piégé à température ambiante

Sonia Fernandez

Dans le cadre d’un effort continu pour sortir la science quantique de l’environnement de laboratoire ultra-contrôlé et l’amener sur le terrain, des chercheurs de l’UC Santa Barbara et de l’Université du Massachusetts à Amherst ont, pour la première fois, démontré une puce laser stabilisée à lumière visible qui pilote une horloge atomique optique à ion piégé et un qubit quantique, ouvrant la voie à des systèmes d’information quantique compacts, portables et évolutifs basés sur des ions piégés. 

« Ce travail est fondateur en ce sens que nous avons démontré que des lasers stabilisés intégrés à l’échelle de la puce peuvent être utilisés pour connecter une lumière de précision à l’une des transitions optiques atomiques les plus étroites avec lesquelles les scientifiques travaillent, l’ion piégé étant lui-même créé sur une puce de piège de surface fonctionnant à température ambiante », explique Daniel Blumenthal, professeur de génie électrique et informatique à l’UCSB et auteur principal d’un article publié dans Nature Communications.

La miniaturisation est le maître-mot pour l’équipe de recherche de Blumenthal, qui s’emploie à réduire à la taille d’un jeu de cartes ce qui sont normalement de grands lasers et composants optiques, et souvent des expériences quantiques lumière-matière occupant une pièce entière. Les lasers traditionnels et autres composants qui alimentent ces expériences occupent généralement 90 % de l’installation sur des tables et des racks nécessitant un réglage manuel et étant très sensibles aux perturbations environnementales. En réduisant ces composants à l’échelle de la puce et en permettant un fonctionnement à température ambiante, il devient possible d’apporter la puissance et la précision de la mesure, de la détection et du calcul quantiques à un plus grand nombre de chercheurs et à une plus grande variété d’expériences, tout en rendant ces technologies plus robustes et portables.

« Ces circuits quantiques portables pourront alors être placés en de nombreux endroits sur Terre, envoyés sur des satellites, sur la Lune et dans l’espace », affirme Blumenthal. « La possibilité d’utiliser ces horloges portables de précision ouvre un éventail d’applications et de sciences fondamentales, notamment la recherche de matière noire et d’énergie noire, la cartographie de la gravité, la mesure de la relativité générale et la recherche de constantes fondamentales, ainsi que leurs éventuelles variations dans le temps. » Il ajoute que des réseaux de ces horloges peuvent détecter et mesurer la gravité sur Terre, créer des cartes gravitationnelles autour d’autres objets solaires, ou détecter des changements dans les conditions géologiques.

Pour ce projet, mené en collaboration avec le groupe du professeur Robert Niffenegger en génie électrique et informatique de l’UMass Amherst, les chercheurs se sont concentrés sur un aspect fondamental de l’expérimentation quantique : le piégeage, la préparation et la manipulation des particules quantiques — en l’occurrence des ions piégés — qui pourraient ensuite être utilisés pour des opérations quantiques. Selon l’expérience, ces ions peuvent être utilisés pour détecter, mesurer, garder le temps et calculer avec la plus grande précision possible.

Les lasers sont essentiels pour aider les ions à atteindre leur état quantique et pour mesurer et contrôler cet état. Le laser utilisé par le groupe de Blumenthal à cet effet est un laser Brillouin à lumière visible dont le bruit de fréquence est si faible qu’il permet des opérations quantiques supérieures par rapport aux lasers traditionnels. Tout aussi important, ce laser Brillouin à l’échelle de la puce est ancré à une seconde puce contenant un résonateur à bobine intégré — une technologie pionnière du groupe Blumenthal — qui maintient la lumière laser dans la plage de la transition d’horloge au strontium extrêmement précise suffisamment longtemps pour verrouiller le laser sur l’ion dans une opération très sensible qui nécessite normalement des composants de table relativement encombrants.

Les prochaines étapes consistent à intégrer tous les lasers supplémentaires requis pour la préparation et la gestion de l’état (SPAM), le contrôle de l’horloge et du qubit, ainsi que le « package physique » qui abrite le piège à ions à électrodes de surface.

« Si vous voulez de l’évolutivité ou de la portabilité avec la technologie quantique, vous avez besoin que tous les systèmes laser soient également sur puce », souligne Niffenegger. « Nous pourrions avoir des millions de qubits sur une seule puce d’une manière qui n’est pas possible si vous aviez besoin de pièces remplies de lasers et d’optique. Si vous êtes sérieux au sujet de cette mise à l’échelle, vous devez regarder comment les ordinateurs traditionnels ont évolué grâce à l’intégration. C’est la vision que nous suivons. »

Les chercheurs ont testé la façon dont leur conception réalise des opérations quantiques clés, notamment la SPAM et la spectroscopie à ion piégé. Un qubit est l’unité d’information de base en calcul quantique, similaire au « bit » d’un ordinateur classique. Cependant, contrairement aux bits numériques qui existent dans un état connu de 0 ou 1, un qubit peut exister dans une combinaison des états 0 et 1 simultanément, ce qui lui donne la capacité de résoudre des problèmes bien plus complexes en moins de temps que le calcul classique ne peut généralement le faire. Le défi consiste à préserver l’état quantique très délicat pendant l’exécution des opérations quantiques. 

Les chercheurs ont pu démontrer qu’ils pouvaient atteindre une fidélité SPAM de 99,6 % avec moins de la moitié du nombre d’impulsions de contrôle requises par un laser standard de table, réduisant ainsi le temps de préparation SPAM et accélérant le temps de calcul ou de détection final. Leurs résultats montrent que le système jette les bases en termes de SPAM à haute fidélité requis pour les prochaines étapes vers les qubits logiques et le calcul quantique, tandis que de nouvelles améliorations permettront des applications en détection quantique.

Ce résultat est le dernier en date des efforts du laboratoire Blumenthal pour créer un système photonique complet à l’échelle de la puce pour des expériences quantiques impliquant des ions piégés et des atomes neutres, un effort marqué par des percées et des progrès dans l’intégration de lasers miniatures et des composants nécessaires pour régler, stabiliser et guider la lumière dans un dispositif de la taille d’une paume.

« Nous ne sommes qu’au début de ce parcours et je suis vraiment enthousiaste de voir comment les prochaines années vont se dérouler », conclut Blumenthal. « Alors que la sagesse conventionnelle voulait que les lasers et la photonique intégrés n’offrent la portabilité qu’au détriment des performances, nous constatons aujourd’hui que l’intégration peut aboutir à une amélioration des performances. Le partenariat avec les physiciens inaugurera une nouvelle ère d’expériences de physique intégrées, et ce seront des moments passionnants. »

Article : Chip scale coil stabilized Brillouin laser driving a room temperature trapped ion qubit – Journal : Nature Communications – DOI : s41467-026-69948-2

Source : UCSB