Des scientifiques de la Faculté d’ingénierie Riccio, de l’Université du Massachusetts Amherst et de l’Université de Californie à Santa Barbara ont démontré les composants clés de laser et de piège à ions nécessaires pour réduire considérablement la taille des ordinateurs quantiques. Cette réalisation s’apparente à la miniaturisation des microprocesseurs intégrés dans les années 1970, 80 et 90, qui a permis le passage d’ordinateurs occupant une pièce entière aux smartphones ultra-fins d’aujourd’hui.
La technologie de pointe actuelle pour l’informatique quantique est trop volumineuse et complexe pour être évolutive, et trop sensible et encombrante pour être portable. Les composants les plus imposants et les plus sensibles de ces systèmes quantiques sont les optiques, qui incluent de multiples lasers et des chambres à vide isolées des vibrations et à température contrôlée, contenant des cavités optiques ultrastables. Ces cavités stabilisent les lasers avec une extrême précision afin de contrôler les ions piégés pour l’informatique quantique et les horloges optiques.
Dans un nouvel article, les chercheurs démontrent les éléments laser stabilisés clés nécessaires à un système informatique quantique intégré sur puce, capable de réduire des parties du matériel quantique de la taille d’une pièce à celle d’un jeu de cartes. C’est une première étape critique vers l’évolutivité de l’informatique quantique et une opportunité de rendre les horloges optiques (basées sur la même technologie d’ions piégés) portables.
« Si vous voulez de l’évolutivité ou de la portabilité avec la technologie quantique, vous devez aussi avoir tous les systèmes laser sur puce », explique Robert Niffenegger, professeur adjoint en génie électrique et informatique. « Nous pourrions avoir des millions de qubits sur une seule puce, ce qui est impossible si vous avez besoin de pièces remplies de lasers et d’optiques. Si vous êtes sérieux quant à l’atteinte de cette échelle, vous devez regarder comment les ordinateurs traditionnels ont évolué grâce à l’intégration. C’est la vision que nous suivons. »
Dans les ordinateurs quantiques, ces systèmes d’ions piégés servent de « qubits ». Ils remplissent une fonction analogue aux bits informatiques traditionnels en stockant et traitant les données, mais le font selon les règles de la physique quantique, et non en binaire (0 et 1). Les horloges optiques mesurent le temps en comptant les oscillations de la lumière visible et en vérifiant cette fréquence avec les transitions atomiques des ions piégés, offrant ainsi une précision inédite pour des applications telles que la cartographie du champ gravitationnel terrestre avec une précision centimétrique, ou l’amélioration de la navigation spatiale lointaine et des systèmes GPS.
En collaboration avec des chercheurs de l’Université de Californie à Santa Barbara, dirigés par le professeur Daniel Blumenthal, l’équipe a démontré, pour la première fois, que ces grands lasers de précision peuvent être remplacés par de petites puces photoniques. Ils montrent que cette nouvelle technologie photonique peut être utilisée pour contrôler des ions piégés afin d’effectuer des opérations de qubit et d’horloge.
Ils ont testé la manière dont leur conception exécute des opérations quantiques clés, notamment la préparation de l’état quantique d’un qubit. Leurs résultats montrent que le système atteint déjà la haute fidélité de préparation et de mesure de l’état des qubits requise pour l’informatique quantique, tandis que des améliorations supplémentaires permettront des applications en détection quantique.
« Nous n’avons pas encore égalé les performances des horloges de pointe, mais nous sommes allés très loin dès le premier essai et avons réalisé encore plus de progrès depuis », ajoute Niffenegger.
À long terme, il affirme que cette conception est une première étape cruciale pour créer des ordinateurs quantiques fonctionnels à grande échelle, capables de résoudre des problèmes trop complexes pour les supercalculateurs actuels, comme le déchiffrement du cryptage qui sécurise une grande partie des données sensibles mondiales. De nombreux experts estiment que de telles applications pourraient nécessiter des millions de qubits.
« Pour construire quelque chose de vraiment utile, au-delà de ce qu’un supercalculateur traditionnel peut faire, vous allez avoir besoin d’un système quantique intégré sur une puce », déclare Niffenegger. « Vous ne pouvez pas avoir des terrains de football remplis de lasers et d’optiques. Cela ne fonctionnera tout simplement pas. L’intégration est la seule voie viable. »
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À court terme, Niffenegger voit dans cette nouvelle technologie une opportunité de faire progresser la portabilité des horloges optiques. En miniaturisant le laser et la cavité sur des puces photoniques, les horloges optiques pourraient devenir bien plus compactes et robustes, leur permettant d’aller dans des endroits qu’elles n’ont jamais explorés, comme l’espace extra-atmosphérique.
« C’est vraiment le seul moyen de mettre une horloge optique de précision dans l’espace », affirme Niffenegger. « Cela pourrait permettre de nouveaux tests de physique fondamentale. »
Par exemple, il imagine tester les constantes fondamentales de la nature en faisant effectuer à une horloge optique une orbite elliptique autour du soleil pour voir s’il y a une variation à différentes distances. « Actuellement, parce que notre système est plus petit et plus robuste aux vibrations, il serait déjà la meilleure horloge optique que l’on puisse mettre dans l’espace », ajoute-t-il.
Un défi technique majeur a été de maintenir la stabilité du laser sans les systèmes d’isolation encombrants utilisés dans les cavités optiques conventionnelles. « Nous n’avons pas ce luxe lorsque nous utilisons cette puce », explique Niffenegger. « Et c’est voulu. Si nous voulions dire que c’est une solution intégrée et portable, elle doit être robuste. Elle est toujours contrôlée en température, mais elle n’est pas sous vide. » Au lieu de cela, ils ont développé une méthode pour compenser activement la dérive en entrelaçant les calibrations avec les expériences.
« Cela ressemblait vraiment à dompter un taureau », ajoute-t-il. « L’horloge s’échappe, et vous essayez de l’attraper avec une horloge atomique très, très précise, et ensuite, non seulement de l’attraper, mais de la verrouiller pendant qu’elle s’éloigne. »
Le prochain objectif est l’intégration complète, combinant la puce de piège à ions, la puce laser, la puce de cavité optique et d’autres éléments photoniques sur une seule puce. « Maintenant que nous avons montré que les opérations quantiques de précision sont possibles avec la photonique intégrée », déclare Niffenegger, « l’étape suivante consiste à tout rassembler en un seul système quantique unifié sur puce. »
Article : Chip scale coil stabilized Brillouin laser driving a room temperature trapped ion qubit – Journal : Nature Communications – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : UMASS
