Les dispositifs de mémoire quantique peuvent stocker des données sous forme d’états quantiques au lieu d’états binaires, comme le font les mémoires informatiques classiques. Si certaines technologies de mémoire quantique existantes ont obtenu des résultats très prometteurs, plusieurs défis devront être surmontés avant de pouvoir être mises en œuvre à grande échelle.
Des chercheurs de l’AWS Center for Quantum Networking et de l’Université de Harvard ont récemment développé une mémoire quantique prometteuse capable de détecter les erreurs et avec une durée de vie ou temps de cohérence (c’est-à-dire le temps pendant lequel une mémoire quantique peut maintenir une superposition sans s’effondrer) dépassant 2 secondes. Ce mémoire, présenté dans un article en La sciencepourrait ouvrir la voie à la création de réseaux quantiques évolutifs.
Les réseaux quantiques sont des systèmes qui peuvent distribuer des bits quantiques intriqués, ou qubits, à des utilisateurs qui se trouvent dans des emplacements géographiques différents. Lorsqu’ils traversent les réseaux, les qubits sont généralement codés sous forme de photons (c’est-à-dire de simples particules de lumière).
« Ces qubits doivent être acheminés et traités, à la fois pour les distribuer à différents utilisateurs et pour surmonter les limitations de distance imposées par la perte de transmission dans la fibre optique », a déclaré David Levonian, chercheur scientifique quantique chez AWS, à Phys.org. « Une mémoire quantique est un petit ordinateur quantique qui peut capturer et stocker des bits quantiques qui sont codés en photons sans les mesurer, car les mesurer détruirait tout enchevêtrement qu’ils ont. Les bits quantiques stockés peuvent être traités et réencodés en photons si nécessaire. «
Jusqu’à présent, les physiciens et les ingénieurs ont proposé plusieurs systèmes différents qui pourraient agir comme une mémoire quantique qui permettrait la mise en œuvre de réseaux quantiques, tels que des gaz atomiques dilués et des ions de terres rares intégrés dans du verre. Le système créé par Levonian et ses collègues s’appuie sur ce que l’on appelle des centres de lacunes en silicium (SiV). Ce sont des bits quantiques constitués d’électrons autour d’atomes de silicium simples, intégrés dans des cristaux de diamant.
« Nous construisons des guides pour les photons qui peuvent les concentrer près de nos SiV et stimuler l’interaction de la lumière avec les électrons », a déclaré Levonian. « En fin de compte, notre système ressemble aux modulateurs optiques qui transmettent la plupart du trafic Internet. Comme les modulateurs optiques, nos mémoires quantiques sont des interrupteurs qui transmettent ou réfléchissent la lumière selon qu’ils sont « activés » ou « désactivés ». Contrairement aux modulateurs normaux, les nôtres sont activés et désactivés par un seul électron, plutôt que par de grands signaux électriques, et peuvent être dans une superposition quantique d’activation et de désactivation. »
L’étude des chercheurs avait deux objectifs principaux. Le premier était d’explorer la possibilité d’utiliser les champs magnétiques des noyaux individuels comme mémoires quantiques avec des durées de vie plus longues (c’est-à-dire qui peuvent stocker des informations plus longtemps). La seconde était de créer une mémoire quantique qui pourrait fonctionner à des températures plus élevées.
« Le premier objectif de notre étude est commun à notre sous-domaine des mémoires quantiques à l’état solide », a déclaré Levonian. « Fondamentalement, les spins des électrons sont très pratiques pour interagir avec les photons, mais aussi sensibles aux champs magnétiques et électriques. Cette sensibilité réduit leurs temps de cohérence, ce qui a motivé les chercheurs à rechercher des moyens de transférer l’information quantique des électrons vers des spins nucléaires plus inertes. Dans notre article, nous avons envisagé de transférer des informations quantiques au spin de l’atome de silicium qui forme le SiV. »
Pour atteindre leur deuxième objectif, celui de faire fonctionner leur mémoire quantique à des températures plus élevées que celles rapportées jusqu’à présent, les chercheurs ont dû concevoir des stratégies qui réduiraient la sensibilité de leurs SiV aux phonons (c’est-à-dire les vibrations thermiques dans le réseau de diamant), car les phonons peuvent brouiller les bits quantiques codés dans le SiV. Des études de physique antérieures ont prédit qu’un SiV dans un cristal pressé ou « contraint » devrait être moins sensible aux phonons.
Cette prédiction a également été confirmée par expériences précédentes, utilisant des SiV pressés à base de diamant non structuré. Levonian et ses collègues ont souhaité reproduire cet effet précédemment rapporté dans leur mémoire quantique à base de SiV.
« En fin de compte, nous avons pu atteindre nos deux objectifs – nous avons pu capturer et stocker des photons à 4 degrés Kelvin, au lieu des 0,1 degrés auxquels les expériences précédentes avaient fonctionné, et nous avons pu prendre les informations des photons nous avions stocké sur l’électron, échangez-le contre le noyau de silicium et stockez-le environ 1 000 fois plus longtemps », a déclaré Levonian. « Dans le domaine des possibles mémoires quantiques, notre technologie représente un juste milieu sur de nombreux axes. »
La mémoire quantique créée par cette équipe de chercheurs peut « s’accrocher » à un bit quantique pendant quelques millisecondes, ce qui est un temps de cohérence relativement long, mais pas le plus long rapporté dans la littérature jusqu’à présent. De même, il peut traiter les informations quantiques locales sans erreur 99 % du temps, ce qui est meilleur que de nombreuses plates-formes mais pire que les meilleurs.
« Là où notre mémoire brille vraiment, c’est dans son efficacité à collecter et à stocker les photons, actuellement autour de 50 % et qui s’améliorera bientôt encore », a expliqué Levonian. « Une autre caractéristique importante est qu’il s’agit d’une mémoire quantique » annoncée « – elle émet un signal lorsqu’elle capte un photon. Cela finit par être crucial pour concevoir des réseaux quantiques efficaces. »
Bien que la capacité de la nouvelle mémoire quantique à fonctionner à 4 degrés Kelvin au lieu de 0,1 degré Kelvin (comme les dispositifs précédemment proposés) ne semble pas être un énorme pas en avant, elle pourrait avoir des conséquences importantes pour les futures implémentations à grande échelle des réseaux quantiques. En fait, les réfrigérateurs cryogéniques qui peuvent abaisser la température à 4 Kelvin sont environ 5 fois moins chers et 10 fois plus petits que les réfrigérateurs qui refroidissent les objets jusqu’à 0,1 K, et peuvent également tenir dans un rack de serveur.
« Pour atteindre 0,1 Kelvin, il faut un réfrigérateur à dilution (le » lustre doré « que les lecteurs auraient pu voir dans des articles sur l’informatique quantique), et l’isotope relativement rare et coûteux de l’hélium 3 », a ajouté Levonian. « Notre succès dans cette étude est en partie dû à la chance, car nous avons découvert que l’un de nos appareils était devenu très sollicité au cours de notre processus de fabrication, ce qui nous a permis de tester la résistance à la température que cela confère aux SiV. Pour utiliser notre découverte pour construire des appareils commerciaux, nous devons trouver un moyen de fabriquer des SiV tendus à 100 % du temps, ce sur quoi nous travaillons activement. »
Plus d’information:
P J. Stas et al, Noeud de réseau quantique multi-qubit robuste avec détection d’erreur intégrée, La science (2022). DOI : 10.1126/science.add9771
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