Pour que les ordinateurs quantiques puissent résoudre des problèmes complexes, les chercheurs doivent développer des technologies capables de gérer un plus grand nombre de qubits (les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques) pendant des périodes prolongées. Les atomes neutres jouent un rôle important dans cet effort et sont prometteurs pour l’informatique quantique car ils offrent une plate-forme stable, contrôlable et évolutive pour la construction de qubits et la mise en œuvre d’opérations quantiques.
À première vue, un atome neutre (une particule sans charge électrique nette, qui équilibre un nombre égal de protons et d’électrons) peut sembler être un choix évident pour les processeurs quantiques. Cependant, comme d’autres types de qubits, ils sont sensibles au bruit environnemental et aux imperfections de contrôle qui peuvent provoquer des erreurs dans l’ordinateur quantique.
Des équipes de recherche collaborative ont réalisé des progrès significatifs dans le développement de matériel et de techniques informatiques quantiques basés sur des atomes neutres, rapprochant ainsi l’avenir de l’informatique quantique évolutive de la réalité. Accélérateur de systèmes quantiques (QSA), dirigé par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) est un Centre national de recherche en informatique quantique qui rassemble plus de 250 experts issus de 14 institutions.
Les scientifiques affiliés à QSA ont développé des méthodes innovantes pour créer une plate-forme stable, contrôlable et évolutive pour la construction de matériel et la mise en œuvre d’opérations quantiques.
Les atomes neutres piégés dans des faisceaux laser focalisés sont moins sensibles aux perturbations de l’environnement, ce qui permet de traiter les informations quantiques plus efficacement. En disposant les atomes neutres en réseaux, les chercheurs peuvent créer des systèmes quantiques plus grands avec des dizaines ou des centaines de qubits, qui sont essentiels pour effectuer des simulations quantiques complexes et développer des ordinateurs quantiques à grande échelle.
Le développement des premiers réseaux reconfigurables d’atomes neutres a marqué une étape importante dans l’informatique quantique. Des chercheurs de Harvard, du MIT et d’autres institutions ont démontré l’utilisation de « pinces optiques » qui utilisent des faisceaux laser focalisés pour piéger et positionner des atomes neutres dans des configurations spécifiques.
Cette innovation, détaillée dans un article publié dans Nature en 2021, permet de créer des matrices reconfigurables, essentielles à la conception flexible et à l’optimisation des qubits dans les ordinateurs quantiques. La capacité de contrôler précisément le placement des atomes améliore la fiabilité et l’efficacité des opérations quantiques, ouvrant la voie à des ordinateurs quantiques plus puissants et plus évolutifs.
Leur simulateur quantique a déjà permis la découverte de nouvelles phases quantiques de la matière et facilité des simulations détaillées. études des transitions de phase quantiques.
Les réseaux d’atomes neutres reconfigurables ont de nouveau été la technologie clé d’une autre étude importante menée par QSA et publiée dans Nature En 2023, les chercheurs ont créé des portes logiques d’intrication précises, réalisant des opérations à deux qubits avec une fidélité de 99,5 %. La fidélité, une mesure de la précision avec laquelle une opération quantique est effectuée, est essentielle pour construire et faire évoluer des ordinateurs quantiques fiables.
« Sur la base de ces études, les réseaux d’atomes neutres sont apparus comme une plate-forme de premier plan pour les simulations quantiques programmables et le traitement de l’information quantique », a déclaré Mikhail Lukin, codirecteur de la Harvard Quantum Initiative et auteur principal de l’étude. « Avec le soutien de QSA, nous avons redéfini une frontière de la science de l’information quantique. »
En appliquant les leçons apprises dans ces deux études antérieures, le groupe de recherche QSA de Harvard et du MIT, en collaboration avec QuEra Computing, a récemment publié de nouveaux résultats expérimentaux dans Nature montrant comment les réseaux d’atomes reconfigurables peuvent entraîner des améliorations fondamentales dans les techniques de correction d’erreurs, cruciales pour un calcul quantique fiable.
En corrigeant plus efficacement les erreurs, le processeur quantique peut effectuer des calculs plus complexes avec une plus grande précision. Cette dernière étude explore des approches scientifiques innovantes pour améliorer la robustesse des systèmes quantiques, repoussant ainsi les limites du domaine.
Dans une autre étude, menée par une équipe interdisciplinaire de l’Université de Chicago, de Harvard, de Caltech et de l’Université d’Arizona, les chercheurs ont développé un modèle expérimental et théorique pour un type spécial de codes d’atténuation des erreurs connu sous le nom de contrôle de parité quantique à faible densité (qLDPC) utile pour la mise à l’échelle des algorithmes quantiques.
Dans l’étude, ces codes qLDPC ont géré efficacement les erreurs en utilisant des atomes neutres comme technologie de base, une tâche qui nécessiterait normalement des milliers de qubits logiques. En simulant le réarrangement des atomes, les chercheurs ont pu réduire la charge, permettant au système de maintenir des performances élevées sans nécessiter de ressources excessives.
« Les explorations scientifiques fondamentales soutenues par QSA ont été essentielles à ces avancées », a déclaré Lukin. « Grâce à QSA, nous avons pu collaborer et accéder aux ressources des différentes institutions et aux différentes expertises dont nous avions besoin pour faire passer l’ensemble du domaine de la science de l’information quantique à un niveau supérieur. »
QSA est l’un des ministères de l’Énergie cinq Centres nationaux de recherche en sciences de l’information quantique, axés sur les trois principales technologies de l’informatique quantique : les circuits supraconducteurs, les systèmes à ions piégés et les atomes neutres.
En plus de co-concevoir et d’élaborer de nouveaux équipements quantiques, les membres de l’équipe QSA développent des systèmes de contrôle logiciels pour faire fonctionner ces appareils et des algorithmes pour d’importantes applications en physique, chimie, matériaux et biologie. En collaborant sur tous les aspects de la technologie quantique, le Centre contribue à faire passer le domaine des théories aux outils du monde réel.