Les physiciens font des pas de géant dans la lecture des qubits avec la lumière laser

Les qubits sont un élément de base des ordinateurs quantiques, mais ils sont également notoirement fragiles, difficiles à observer sans effacer leurs informations au cours du processus. Désormais, de nouvelles recherches de l’Université du Colorado à Boulder et du National Institute of Standards and Technology (NIST) pourraient constituer un bond en avant pour la gestion des qubits avec une touche de légèreté.

Dans l’étude, une équipe de physiciens a démontré qu’elle pouvait lire les signaux d’un type de qubit appelé qubit supraconducteur en utilisant la lumière laser, et sans détruire le qubit en même temps.

Les résultats du groupe pourraient constituer une étape majeure vers la construction d’un Internet quantique, selon les chercheurs. Un tel réseau relierait des dizaines, voire des centaines de puces quantiques, permettant aux ingénieurs de résoudre des problèmes qui sont hors de portée des supercalculateurs les plus rapides d’aujourd’hui. Ils pourraient également, en théorie, utiliser un ensemble similaire d’outils pour envoyer des codes incassables sur de longues distances.

L’étude, qui paraîtra le 15 juin dans la revue La naturea été dirigé par JILA, un institut de recherche conjoint entre CU Boulder et NIST.

« Actuellement, il n’y a aucun moyen d’envoyer des signaux quantiques entre des processeurs supraconducteurs distants comme nous envoyons des signaux entre deux ordinateurs classiques », a déclaré Robert Delaney, auteur principal de l’étude et ancien étudiant diplômé du JILA.

Delaney a expliqué que les bits traditionnels qui exécutent votre ordinateur portable sont assez limités : ils ne peuvent prendre qu’une valeur de zéro ou un, les nombres qui sous-tendent la plupart des programmes informatiques à ce jour. Les qubits, en revanche, peuvent être des zéros, des uns ou, grâce à une propriété appelée « superposition », exister sous forme de zéros et de uns en même temps.

Mais travailler avec des qubits, c’est aussi un peu comme essayer d’attraper un flocon de neige dans sa main chaude. Même la plus petite perturbation peut effondrer cette superposition, les faisant ressembler à des bits normaux.

Dans la nouvelle étude, Delaney et ses collègues ont montré qu’ils pouvaient contourner cette fragilité. L’équipe utilise un morceau de silicium et d’azote très fin pour transformer le signal sortant d’un qubit supraconducteur en lumière visible, le même type de lumière qui transporte déjà les signaux numériques d’une ville à l’autre via des câbles à fibres optiques.

« Les chercheurs ont fait des expériences pour extraire la lumière optique d’un qubit, mais ne pas perturber le qubit dans le processus est un défi », a déclaré la co-auteure de l’étude Cindy Regal, boursière JILA et professeure agrégée de physique à CU Boulder.

Saut quantique

Il existe de nombreuses façons différentes de créer un qubit, a-t-elle ajouté.

Certains scientifiques ont assemblé des qubits en piégeant un atome dans la lumière laser. D’autres ont expérimenté l’intégration de qubits dans des diamants et d’autres cristaux. Des entreprises comme IBM et Google ont commencé à concevoir des puces informatiques quantiques en utilisant des qubits fabriqués à partir de supraconducteurs.

Les supraconducteurs sont des matériaux que les électrons peuvent contourner sans résistance. Dans les bonnes circonstances, les supraconducteurs émettront des signaux quantiques sous la forme de minuscules particules de lumière, ou « photons », qui oscillent aux fréquences micro-ondes.

Et c’est là que le problème commence, a déclaré Delaney.

Pour envoyer ces types de signaux quantiques sur de longues distances, les chercheurs devraient d’abord convertir les photons micro-ondes en lumière visible, ou photons optiques, qui peuvent passer en toute sécurité grâce à des réseaux de câbles à fibres optiques à travers la ville ou même entre les villes. Mais lorsqu’il s’agit d’ordinateurs quantiques, réaliser cette transformation est délicat, a déclaré le co-auteur de l’étude, Konrad Lehnert.

C’est en partie parce que l’un des principaux outils dont vous avez besoin pour transformer les photons micro-ondes en photons optiques est la lumière laser, et les lasers sont l’ennemi juré des qubits supraconducteurs. Si même un seul photon parasite d’un faisceau laser frappe votre qubit, il s’effacera complètement.

« La fragilité des qubits et l’incompatibilité essentielle entre les supraconducteurs et la lumière laser empêchent généralement ce type de lecture », a déclaré Lehnert, membre du NIST et du JILA.

Codes secrets

Pour contourner cet obstacle, l’équipe s’est tournée vers un intermédiaire : un mince morceau de matériau appelé transducteur électro-optique.

Delaney a expliqué que l’équipe commence par zapper cette plaquette, qui est trop petite pour être vue sans microscope, avec une lumière laser. Lorsque les photons micro-ondes d’un qubit heurtent l’appareil, il vacille et crache plus de photons, mais ceux-ci oscillent maintenant à une fréquence complètement différente. La lumière des micro-ondes entre et la lumière visible sort

Dans la dernière étude, les chercheurs ont testé leur transducteur à l’aide d’un véritable qubit supraconducteur. Ils ont découvert que le matériau fin pouvait réaliser ce switcheroo tout en gardant efficacement ces ennemis mortels, qubits et lasers, isolés les uns des autres. En d’autres termes, aucun des photons de la lumière laser n’a reflué pour perturber le supraconducteur.

« Notre transducteur électro-optique n’a pas beaucoup d’effet sur le qubit », a déclaré Delaney.

L’équipe n’est pas arrivée au point où elle peut transmettre des informations quantiques réelles via son transducteur. Entre autres problèmes, l’appareil n’est pas encore particulièrement efficace. Il faut environ 500 photons micro-ondes, en moyenne, pour produire un seul photon de lumière visible.

Les chercheurs travaillent actuellement à améliorer ce taux. Une fois qu’ils le font, de nouvelles possibilités peuvent émerger dans le domaine quantique. Les scientifiques pourraient, en théorie, utiliser un ensemble similaire d’outils pour envoyer des signaux quantiques sur des câbles qui effaceraient automatiquement leurs informations lorsque quelqu’un essaierait d’écouter.

Mission Impossible rendue réelle, en d’autres termes, et tout cela grâce au qubit sensible.