L’informatique quantique, un domaine qui s’appuie sur les principes de la mécanique quantique pour calculer les résultats, a le potentiel d’effectuer des tâches trop complexes pour les ordinateurs traditionnels et de le faire à grande vitesse, ce qui en fait à certains égards la nouvelle frontière de la science et de l’ingénierie. Pour arriver au point où les ordinateurs quantiques peuvent atteindre leur potentiel de performance attendu, le développement de processeurs quantiques à grande échelle et de mémoires quantiques est nécessaire. Un contrôle précis des qubits – ou bits quantiques, les éléments de base des ordinateurs quantiques – est essentiel pour ce faire, mais les méthodes de contrôle des qubits ont des limites pour un câblage massif à haute densité avec une grande précision.
Maintenant, des chercheurs de l’Université nationale de Yokohama au Japon ont trouvé un moyen de contrôler avec précision les qubits sans les limitations précédentes. Leurs résultats ont été publiés dans Photonique de la nature le 26 juillet 2022.
« Les micro-ondes sont généralement utilisées pour le contrôle quantique individuel, mais un câblage individuel des lignes micro-ondes est nécessaire », a déclaré l’auteur correspondant de l’article, Hideo Kosaka, directeur du Centre de recherche sur l’information quantique de l’Institut des sciences avancées et professeur au Département de physique du Graduate. École d’ingénierie de l’Université nationale de Yokohama. « En revanche, il est possible de manipuler des qubits localement, mais pas précisément, avec de la lumière. »
Kosaka et les autres chercheurs ont pu démontrer le contrôle des qubits en manipulant le spin des électrons grâce à une combinaison de manipulation par micro-ondes et de décalage optique local des fréquences de transition des atomes et des molécules, un processus connu sous le nom de décalage de Stark, utilisant un centre de vide d’azote. un type de défaut ponctuel – dans un diamant. En d’autres termes, ils ont pu combiner des méthodes optiques reposant sur la lumière des lasers avec des micro-ondes pour surmonter les limitations précédentes.
Les chercheurs ont également pu démontrer que ce contrôle du spin électronique pouvait à son tour contrôler le spin nucléaire de l’atome d’azote au centre de la lacune d’azote ainsi que l’interaction entre l’électron et les spins nucléaires. Ceci est important car il permet un contrôle précis des qubits sans problème de câblage.
« L’irradiation simultanée de la lumière et des micro-ondes permet un contrôle individuel et précis des qubits sans câblage individuel », a déclaré Kosaka. « Cela a ouvert la voie aux processeurs quantiques à grande échelle et aux mémoires quantiques, qui sont essentiels au développement d’ordinateurs quantiques à grande échelle. »
De plus, les chercheurs ont pu générer un enchevêtrement quantique – un état dans lequel les particules existent dans le même état, même si elles sont physiquement séparées – entre l’électron et les spins nucléaires pour préparer un état de photon à transférer dans l’état de spin nucléaire. Cela permet une connectivité interqubit avec le photon, et nécessitera finalement moins de puissance de calcul et permettra le transfert d’informations vers des processeurs quantiques et des mémoires quantiques par le principe de la téléportation quantique.
La nouvelle méthode répond à tous les critères DiVincenzo, qui sont les critères nécessaires au fonctionnement d’un ordinateur quantique, et incluent l’évolutivité, l’initialisation, la mesure, la porte universelle et la longue cohérence. Il peut également être appliqué au-delà du décalage Stark et à d’autres schémas de champ magnétique pour manipuler individuellement les qubits dans ces scénarios, et il peut se prémunir contre les types courants d’erreurs informatiques telles que les erreurs de porte ou le bruit environnemental.
« La raison de l’amélioration de la fidélité de notre schéma par rapport aux schémas entièrement optiques est l’utilisation d’un degré de liberté excessif plus facile à contrôler », a déclaré Kosaka, faisant référence au nombre de variables pouvant être contrôlées à l’aide de cette méthode.
Selon les chercheurs, cette avancée est un pas vers l’informatique quantique à plus grande échelle.
« En améliorant encore la résolution de l’opération quantique individuelle et de l’opération d’enchevêtrement, des ordinateurs quantiques à diamant intégrés à grande échelle, des stockages quantiques et des capteurs quantiques peuvent être réalisés », a déclaré Kosaka. « Cela améliorera également la capacité de transmission de données du réseau de répéteurs quantiques pour la communication quantique longue distance et le réseau informatique quantique distribué ou Internet quantique. »
Les autres auteurs de l’article étaient Yuhei Sekiguchi de l’Institut des sciences avancées de l’Université nationale de Yokohama, et Kazuki Matsushita et Yoshiki Kawasaki, tous deux du Département de physique de la Graduate School of Engineering de l’Université nationale de Yokohama.
Hideo Kosaka, Portes quantiques holonomes universelles adressables optiquement sur les spins du diamant, Photonique de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41566-022-01038-3. www.nature.com/articles/s41566-022-01038-3
Fourni par l’Université nationale de Yokohama