Les systèmes d’information quantique offrent des méthodes de calcul plus rapides et plus puissantes que les ordinateurs classiques pour aider à résoudre bon nombre des problèmes les plus complexes du monde. Mais pour tenir cette promesse ultime, il faudra des ordinateurs quantiques plus grands et plus interconnectés que ceux que les scientifiques ont construits jusqu’à présent. Faire évoluer les systèmes quantiques vers des tailles plus grandes et connecter plusieurs systèmes s’est avéré difficile.
Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l’Université de Chicago ont découvert comment combiner deux technologies puissantes – les réseaux d’atomes piégés et les dispositifs photoniques – pour produire des systèmes avancés pour l’informatique quantique, la simulation et la mise en réseau. Cette nouvelle combinaison permettra de construire de grands systèmes quantiques qui pourront être facilement mis à l’échelle, en exploitant la photonique pour interconnecter des réseaux d’atomes individuels.
« Nous avons fusionné deux technologies qui, dans le passé, n’avaient pas grand-chose à voir l’une avec l’autre », a déclaré Hannes Bernien, professeur adjoint d’ingénierie moléculaire et auteur principal du nouveau travail, Publié dans Nature Communications« Il est non seulement fondamentalement intéressant de voir comment nous pouvons faire évoluer les systèmes quantiques de cette manière, mais cela a également de nombreuses applications pratiques. »
Les réseaux d’atomes neutres piégés dans des pinces optiques (des faisceaux laser hautement focalisés capables de maintenir les atomes en place) sont un moyen de plus en plus répandu de construire des processeurs quantiques. Ces grilles d’atomes neutres, lorsqu’elles sont excitées dans une séquence spécifique, permettent des calculs quantiques complexes pouvant atteindre des milliers de qubits. Cependant, leurs états quantiques sont fragiles et peuvent être facilement perturbés, notamment par des dispositifs photoniques qui visent à collecter leurs données sous forme de photons.
« La connexion de réseaux d’atomes à des dispositifs photoniques a été un véritable défi en raison des différences fondamentales entre les technologies. La technologie des réseaux d’atomes repose sur des lasers pour leur génération et leur calcul », a déclaré Shankar Menon, étudiant diplômé de PME et co-premier auteur de la nouvelle étude. « Dès que vous exposez le système à un semi-conducteur ou à une puce photonique, les lasers se dispersent, ce qui entraîne des problèmes de piégeage des atomes, de leur détection et de leur calcul. »
Dans le cadre de ce nouveau travail, le groupe de Bernien a développé une nouvelle géométrie de puce semi-ouverte permettant aux réseaux d’atomes de s’interfacer avec les puces photoniques, surmontant ainsi ces défis. Avec la nouvelle plateforme, les calculs quantiques peuvent être effectués dans une région de calcul, puis une petite partie de ces atomes contenant les données souhaitées est déplacée vers une nouvelle région d’interconnexion pour l’intégration de la puce photonique.
« Nous disposons de deux régions distinctes entre lesquelles les atomes peuvent se déplacer, l’une éloignée de la puce photonique pour le calcul et l’autre proche de la puce photonique pour interconnecter plusieurs réseaux d’atomes », explique Noah Glachman, co-premier auteur et étudiant diplômé du PME. « La façon dont cette puce est conçue permet une interaction minimale avec la région de calcul du réseau d’atomes. »
Dans la région d’interconnexion, le qubit interagit avec un dispositif photonique microscopique, qui peut extraire un photon. Le photon peut ensuite être transmis à d’autres systèmes par le biais de fibres optiques. Au final, cela signifie que de nombreux réseaux d’atomes pourraient être interconnectés pour former une plate-forme de calcul quantique plus grande que ce qui est possible avec un seul réseau.
Un autre atout du nouveau système, qui pourrait conduire à des capacités de calcul particulièrement rapides, est que de nombreuses cavités nanophotoniques peuvent être connectées simultanément à un seul réseau d’atomes.
« Nous pouvons avoir des centaines de ces cavités à la fois, et elles peuvent toutes transmettre des informations quantiques en même temps », a déclaré Menon. « Cela conduit à une augmentation massive de la vitesse à laquelle les informations peuvent être partagées entre des modules interconnectés. »
Alors que l’équipe a démontré la faisabilité du piégeage d’un atome et de son déplacement entre les régions, elle prévoit des études futures qui examineront d’autres étapes du processus, notamment la collecte des photons des cavités nanophotoniques et la génération d’intrication sur de longues distances.
Plus d’information:
Shankar G. Menon et al., Une plate-forme de puce nanophotonique à réseau d’atomes intégrée avec imagerie sans arrière-plan, Nature Communications (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-50355-4