Une lueur d’espoir apparaît au bout du tunnel dans la longue quête de développement d’ordinateurs quantiques, qui devraient réduire radicalement le temps nécessaire pour effectuer certains calculs complexes, de milliers d’années à quelques heures.
Une équipe dirigée par des physiciens de Stanford a développé un nouveau type de « cavité optique » qui peut collecter efficacement des photons uniques, la particule fondamentale de la lumière, à partir d’atomes uniques. Ces atomes agissent comme les blocs de construction d’un ordinateur quantique en stockant des « qubits » – la version quantique des bits de zéros et de uns d’un ordinateur normal. Ce travail permet ce processus pour tous les qubits simultanément, pour la première fois.
Dans une étude publiée dans Nature, les chercheurs décrivent un réseau de 40 cavités contenant 40 qubits atomiques individuels ainsi qu’un prototype avec plus de 500 cavités. Les résultats indiquent une voie pour créer finalement un réseau d’ordinateurs quantiques d’un million de qubits.
« Si nous voulons fabriquer un ordinateur quantique, nous devons être capables de lire l’information des bits quantiques très rapidement », explique Jon Simon, auteur principal de l’étude et professeur associé de physique et de physique appliquée à l’École des sciences humaines et sciences de Stanford. « Jusqu’à présent, il n’y avait pas de moyen pratique de le faire à grande échelle car les atomes n’émettent tout simplement pas la lumière assez vite, et en plus, ils la diffusent dans toutes les directions. Une cavité optique peut guider efficacement la lumière émise vers une direction particulière, et maintenant nous avons trouvé un moyen d’équiper chaque atome d’un ordinateur quantique de sa propre cavité individuelle. »
Une cavité optique est créée lorsque deux surfaces réfléchissantes ou plus font rebondir la lumière d’avant en arrière, comme lorsqu’une personne marche entre un ensemble de miroirs déformants et voit des milliers de ses images se répéter dans le lointain. Contrairement aux miroirs déformants, ces cavités optiques sont beaucoup plus petites et utilisent les nombreux rebonds d’un faisceau laser pour obtenir des informations visuelles supplémentaires des atomes. Les chercheurs expérimentent des cavités optiques depuis des décennies, essayant d’obtenir suffisamment de lumière pour rebondir suffisamment de fois pour interagir avec les atomes minuscules et presque translucides.
L’équipe de recherche dirigée par le laboratoire de Simon a adopté une approche différente et a utilisé des microlentilles à l’intérieur de chaque cavité pour concentrer la lumière plus étroitement sur un seul atome. Cela crée moins de rebonds de lumière mais est toujours plus efficace pour obtenir des informations quantiques de l’atome.
« Nous avons développé un nouveau type d’architecture de cavité ; ce n’est plus seulement deux miroirs », déclare Adam Shaw, un Stanford Science Fellow et premier auteur de l’étude. « Nous espérons que cela nous permettra de construire des ordinateurs quantiques distribués, considérablement plus rapides, qui peuvent communiquer entre eux avec des débits de données bien plus élevés. »
Au-delà du binaire
Alors que les ordinateurs conventionnels utilisent une série de zéros et de uns pour représenter des bits d’information, les ordinateurs quantiques reposent sur des états quantiques de petites particules. Ces qubits peuvent être zéro ou un, ou une combinaison des deux en même temps. Cela permet à un ordinateur quantique de terminer certains calculs complexes beaucoup plus rapidement que le modèle binaire traditionnel.
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« Un ordinateur classique doit traiter les possibilités une par une, à la recherche de la bonne réponse », explique Simon. « Mais un ordinateur quantique agit comme des écouteurs à annulation de bruit qui comparent des combinaisons de réponses, amplifiant les bonnes tout en étouffant les mauvaises. »
Les chercheurs estiment qu’un ordinateur quantique nécessitera des millions de qubits pour surpasser les superordinateurs classiques. Atteindre ce nombre signifiera probablement interconnecter de nombreux ordinateurs quantiques, a déclaré Simon. La réalisation de cette étude d’utilisation de cavités pour créer une interface parallèle constitue une plateforme très efficace pour passer à ces grandes tailles.
L’équipe a démontré un réseau de 40 cavités contenant des atomes dans cet article avec un réseau de preuve de concept de plus de 500, et les chercheurs visent des dizaines de milliers. À l’avenir, ils imaginent des centres de données quantiques où chaque ordinateur quantique individuel dispose d’une interface réseau constituée d’un réseau de cavités, permettant une intégration à grande échelle dans des superordinateurs quantiques.
Atteindre cet objectif nécessitera de résoudre d’importants défis d’ingénierie, mais le potentiel est là, soutiennent les chercheurs, et avec lui, toutes les promesses du calcul quantique. Cela pourrait signifier des avancées majeures dans la conception de matériaux et la synthèse chimique, comme celle utilisée pour la découverte de médicaments, ainsi que dans le décryptage de codes. Plus largement, les capacités de collecte de lumière des réseaux de cavités sont très prometteuses pour la biodétection et la microscopie, ce qui pourrait faire progresser la recherche médicale et biologique. Les réseaux quantiques pourraient même aider à mieux comprendre l’espace, en permettant des télescopes optiques avec une résolution améliorée qui permettraient l’observation directe de planètes en dehors de notre système solaire.
« À mesure que nous comprenons mieux comment manipuler la lumière au niveau d’une particule unique, je pense que cela transformera notre capacité à voir le monde », déclare Adam Shaw.
Article : A cavity-array microscope for parallel single-atom interfacing – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude
Source : Stanford U.
