Deux études indépendantes, parues dans PRX Quantum et npj Quantum Information, proposent d’utiliser l’hélium-3 en informatique quantique. À Chicago, un plan théorique vise à piéger des atomes grâce au laser via des opérations au moins trois fois plus rapides ; à Surrey, le qubit superfluide SHOQ mise sur des erreurs 100 fois moins fréquentes.
L’hélium-3, isotope stable de l’hélium doté de deux protons et d’un neutron, retient l’attention de deux équipes académiques. Rare sur Terre et habituellement employé en cryogénie ou en détection de neutrons, il est proposé comme brique de base de qubits plus rapides ou moins sujets aux erreurs, à l’Université de Chicago comme à l’Université de Surrey.
Des atomes d’hélium-3 piégés par laser
Dans un article publié dans PRX Quantum, l’équipe de Jacob Covey, professeur associé à l’Université de Chicago, présente la conception d’un ordinateur quantique fondé sur des atomes d’hélium-3 refroidis par laser et maintenus en place par des « pinces optiques », des faisceaux finement focalisés qui agissent comme des rayons tracteurs miniatures.
L’hélium-3 est l’atome le plus léger pouvant actuellement être piégé par laser, et la légèreté favorise la vitesse : les taux d’effet tunnel quantique atteignent au moins trois fois les valeurs mesurées dans les systèmes à base de lithium, qui n’ont percé dans le calcul quantique fermionique que récemment. « L’hélium est encore plus léger que le lithium, ce qui lui confère des taux d’effet tunnel quantique environ trois fois plus rapides, au minimum », précise Zheyuan Li, premier auteur de l’étude et doctorant au laboratoire de Covey.
Fermionique et métastable : deux atouts pour les qubits
L’atome cumule des propriétés favorables au calcul quantique :
- Une nature fermionique : deux atomes ne peuvent pas occuper simultanément le même état quantique, ce qui permet aux ordinateurs quantiques fermioniques d’éviter bon nombre des erreurs affectant les systèmes fondés sur des atomes bosoniques comme l’hélium-4.
- Un état métastable durable de deux heures, bien plus long que celui observé dans la plupart des autres éléments, qui offre aux chercheurs une fenêtre prolongée pour manipuler les qubits.
Waseem Bakr, professeur de physique à l’Université de Princeton, qui n’a pas participé aux travaux, y voit de nombreux avantages : « En utilisant l’atome le plus léger que l’on puisse piéger, ce travail transforme la faible masse en un véritable avantage — effet tunnel plus rapide, transport plus rapide et qubits de mouvement contrôlables. C’est un plan (blueprint) convaincant pour la prochaine génération de simulateurs quantiques fermioniques.».
L’équipe prévoit de piéger des atomes individuels d’hélium-3 dans des pinces optiques « probablement d’ici un à deux ans », selon Jacob Covey.
SHOQ : l’hélium superfluide contre les erreurs
À l’Université de Surrey, des chercheurs proposent dans npj Quantum Information un dispositif baptisé Superfluid Helium Oscillator Quantum (SHOQ), fondé sur l’hélium-3 superfluide, un état liquide qui s’écoule sans frottement, obtenu à des températures proches du zéro absolu. Leurs calculs prédisent des taux d’erreur environ 100 fois inférieurs à ceux des qubits supraconducteurs conventionnels.
L’hélium superfluide est électriquement neutre. Le dispositif pourrait donc être naturellement immunisé contre le bruit électromagnétique qui affecte les systèmes supraconducteurs actuels. « Les mathématiques nous indiquent que ça devrait fonctionner », déclare la Dre Priya Sharma, chercheuse à Surrey.
L’équipe, qui collabore avec Jens Koch, professeur à l’Université Northwestern et l’un des chercheurs à l’origine du qubit transmon, aujourd’hui largement utilisé, travaille désormais à la construction d’un prototype.
Deux approches, un matériau commun
Les deux projets s’attaquent à des goulets d’étranglement différents. Le groupe de Chicago cherche à accélérer les opérations grâce à des atomes plus légers, donc à un effet tunnel plus rapide. L’équipe de Surrey vise la réduction des erreurs en changeant de matériau, des circuits supraconducteurs vers un liquide quantique.
Les deux équipes considèrent l’hélium-3 non pas comme un substitut aux technologies existantes, mais comme un complément. « Combiner différentes technologies quantiques pourrait nous permettre de tirer parti des points forts de chacune d’elles », formule Eran Ginossar, chercheur à Surrey.
Reste maintenant à confirmer les calculs par l’expérience. Le piégeage d’atomes individuels est annoncé d’ici un à deux ans à Chicago, la construction d’un prototype SHOQ est en préparation à Surrey, et aucune machine fonctionnelle n’existe encore.
