Certains systèmes quantiques sont si complexes que même les superordinateurs les plus puissants peinent à simuler leur comportement. Une solution est la simulation quantique : construire en laboratoire un système quantique contrôlable et l’ajuster pour imiter celui que les chercheurs veulent comprendre. Dans un simulateur à ions piégés, une rangée d’atomes individuels chargés, ou ions, est maintenue en place par des champs électriques à l’intérieur d’un dispositif appelé piège à ions. Des lasers sont utilisés pour faire interagir les ions d’une manière qui simule le système quantique, puis les chercheurs mesurent l’information encodée dans les ions pour révéler les propriétés du système.
Guido Pagano, de l’Université Rice, en collaboration avec des chercheurs de l’Université Duke et de Translume Inc., a développé un nouveau type de simulateur à ions piégés, appelé piège à ions 3D segmenté monolithique. Ce piège a permis à l’équipe d’étudier ces systèmes complexes en utilisant des ions lourds comme l’ytterbium. Les travaux ont récemment été publiés dans Physical Review Applied.
« Les simulateurs à ions piégés peuvent nous aider à comprendre des problèmes complexes, comme le transfert de charge dans la photosynthèse », a déclaré Pagano, professeur associé de physique et d’astronomie et auteur principal de cette étude. « Avec ce nouveau piège à ions, nous avons combiné certaines des meilleures caractéristiques des versions précédentes tout en surmontant les défis d’ingénierie inhérents à l’intégration de ces caractéristiques dans une architecture monolithique microfabriquée compacte. »
Les pièges à ions utilisant des tensions radiofréquence se sont généralement répartis en deux catégories : les pièges de type lame et les pièges à puces microfabriqués. Les pièges à ions de type lame offrent de hautes performances mais sont limités en précision géométrique et difficiles à reproduire, car ils sont assemblés à la main. Les pièges à ions à puce microfabriqués sont généralement des pièges bidimensionnels qui offrent une plus grande précision géométrique, sont hautement modulaires et faciles à reproduire. À bien des égards, cependant, ils ne sont pas aussi performants que les pièges à ions de type lame. Les pièges à ions tridimensionnels monolithiques visaient à combiner le meilleur des pièges à lame et des pièges à puce, mais jusqu’à présent, ils ne pouvaient fonctionner qu’avec des ions légers comme le calcium.
« Dans notre piège à ions monolithique, nous voulions combiner les caractéristiques haute performance et l’accessibilité du piège à lame avec l’évolutivité et la modularité du piège à puce, d’une manière compatible avec les ions plus lourds », a déclaré Abhishek Menon, étudiant au doctorat et auteur correspondant de cette étude. « Résoudre les problèmes d’ingénierie les plus difficiles liés au piégeage d’espèces ioniques plus lourdes aide aussi à simplifier le piégeage d’espèces ioniques plus légères et à favoriser l’utilisation ultérieure de ce piège pour une variété de technologies quantiques. »
L’équipe de recherche a mis au point une conception dont le point de départ était un bloc de verre fusilica. Elle a utilisé des lasers et des produits chimiques pour tracer et créer des canaux pour les ions ainsi que des tranchées pour les électrodes qui doivent être installées avant de recouvrir le piège d’or déposé par pulvérisation cathodique. Les tranchées étaient un élément important de la conception. Elles isolaient les électrodes par conception, les empêchant non seulement de court-circuiter pendant le processus de pulvérisation de l’or, mais aussi de subir un claquage diélectrique dans des conditions de haute tension sous vide.
« C’était vraiment un processus de conception itératif », a déclaré Menon. « Notre première génération a échoué, mais de manière prometteuse et instructive : elle présentait un important problème de gestion thermique et électrique. Le piège a commencé à luire visiblement lorsque la haute tension radiofréquence souhaitée était appliquée sous vide. La deuxième génération a corrigé les principaux défauts de la génération précédente, mais elle présentait plusieurs problèmes, comme un micromouvement axial considérable et des taux élevés d’échauffement des ions. Ce n’est qu’à la troisième génération que nous avons eu un piège viable. »
Bien que le piège lumineux ait été le problème le plus spectaculaire, ce n’était pas le seul défi d’ingénierie auquel l’équipe a été confrontée. Le piège devait concilier le besoin d’un espacement plus grand entre les ions tout en minimisant la tension dans le système et en maintenant des taux d’échauffement appropriés des ions, sans perdre aucune des qualités qui rendaient le piège à ions si utile en laboratoire.
Le piège à ions de troisième génération disposait d’un meilleur dissipateur thermique pour évacuer la chaleur du piège à ions, minimisait le micromouvement axial des ions et utilisait un traitement de surface à base de plasma pour aider à réduire les taux d’échauffement des ions. Une fois la conception achevée, le laboratoire de Pagano, avec des collaborateurs de Duke, a testé individuellement les pièges à ions. Ils ont pu confirmer que les pièges à ions fonctionnaient à la fois comme prévu et correspondaient aux simulations informatiques réalisées précédemment.
« Le piège monolithique rend les simulateurs à ions piégés plus accessibles aux laboratoires académiques », a déclaré Roman Zhuravel, auteur principal de cette étude et professeur adjoint de recherche dans le laboratoire de Pagano. « Ces pièges permettent aux chercheurs de simplifier des problèmes quantiques difficiles en problèmes que nous pouvons résoudre, que nous mappons ensuite sur des problèmes plus grands et plus complexes. Le piège monolithique convient à de nombreuses applications de ce type, ouvrant de nouvelles voies aux scientifiques intéressés par ces problèmes. »
Article : Monolithic segmented three-dimensional ion trap for quantum technology applications – Journal : Physical Review Applied – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Rice U
