Les atomes du métal ytterbium-171 pourraient être les éléments naturels les plus proches des qubits parfaits. Une étude récente montre comment les utiliser pour des mesures quantiques répétées et des rotations de qubits, ce qui pourrait contribuer au développement d’une informatique quantique évolutive.
Des physiciens de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont développé une procédure de mesure des qubits d’ytterbium-171 qui les préserve pour une utilisation future. Comme les chercheurs rapport dans la revue PRX Quantiquela réalisation de cette « mesure non destructive » leur a permis d’utiliser le processeur pour de longs calculs en plusieurs étapes qui sous-tendent de nombreux algorithmes quantiques.
« L’ytterbium-171 est devenu un candidat très prometteur pour l’informatique quantique ces dernières années », a déclaré William Huie, l’auteur principal de l’étude. « Et maintenant que nous avons démontré des mesures non destructives et des rotations de qubits, nous avons montré que les réseaux d’atomes d’ytterbium sont prometteurs pour certaines classes d’opérations informatiques quantiques. »
Parmi les nombreuses plates-formes informatiques quantiques actuellement explorées, les réseaux d’atomes neutres comme l’ytterbium sont parmi les plus prometteurs. Ils sont faciles à adapter à des systèmes de grande taille et, comme ils utilisent des atomes naturels, ils posent moins de problèmes de matériel et de fabrication. Cependant, certains types d’atomes sont plus difficiles à utiliser car ils ont une structure de niveaux complexe.
« L’informatique quantique est basée sur des qubits, essentiellement des systèmes quantiques à deux niveaux accessibles », a déclaré Jacob Covey, professeur de physique à l’Université d’I. et chef du projet. « Cependant, malgré tous leurs avantages, les atomes peuvent avoir des dizaines de niveaux accessibles. Il peut être assez difficile de s’assurer que vous travaillez avec seulement deux niveaux à la fois. »
L’ytterbium-171 a attiré l’attention ces dernières années car il ne contient que deux niveaux quantiques accessibles une fois refroidi à son état énergétique le plus bas. Ainsi, une opération sur les atomes est beaucoup moins susceptible de les faire sortir de l’état de qubit à deux niveaux souhaité, ce qui rend la mesure non destructive beaucoup plus facile.
« Mais, peut-être un peu contre-intuitif, ces propriétés très intéressantes pour les opérations quantiques se font au détriment d’une structure globale beaucoup plus complexe de l’atome », a déclaré Covey. « Nous et d’autres groupes travaillant avec l’ytterbium et d’autres atomes alcalino-terreux avons dû redévelopper bon nombre des techniques désormais standard en physique atomique pour gérer ses complications. »
Les chercheurs rapportent qu’ils ont réalisé une mesure non destructive des qubits d’ytterbium-171 avec un taux de réussite de 99 %. Ils démontrent les capacités de leur système en mettant en œuvre une technique connue sous le nom de contrôle adaptatif en temps réel, dans laquelle un ordinateur classique est utilisé pour contrôler les qubits d’ytterbium en fonction des résultats des mesures.
« Les algorithmes basés sur des qubits contrôlés de manière externe par des ordinateurs classiques ont commencé à gagner du terrain dans la science de l’information quantique », a déclaré Huie. « La communauté découvre que mesurer et contrôler les qubits aux étapes intermédiaires d’un calcul peut créer un comportement quantique à grande échelle beaucoup plus efficacement dans certains scénarios. Ainsi, pour l’avenir, notre groupe est ravi d’utiliser notre plateforme ytterbium pour explorer ces nouveaux développements. »
Plus d’information:
William Huie et al, Lecture répétitive et contrôle en temps réel des qubits de spin nucléaire dans des atomes de 171Yb, PRX Quantique (2023). DOI : 10.1103/PRXQuantum.4.030337