Un nouveau piège à ions pour des ordinateurs quantiques plus puissants

Les états d'énergie des électrons dans un atome suivent les lois de la mécanique quantique : ils ne sont pas distribués de manière continue, mais limités à certaines valeurs bien définies - c'est ce qu'on appelle la quantification. Ces états quantifiés constituent la base des bits quantiques (qubits), avec lesquels les scientifiques veulent construire des ordinateurs quantiques extrêmement puissants. Pour ce faire, les atomes doivent être refroidis et piégés en un seul endroit.

Un piégeage puissant peut être obtenu en ionisant les atomes, c'est-à-dire en leur donnant une charge électrique. Cependant, une loi fondamentale de l'électromagnétisme stipule que les champs électriques constants dans le temps ne peuvent pas piéger une seule particule chargée. En revanche, en ajoutant un champ électromagnétique oscillant, on obtient un piège à ions stable, également appelé piège de Paul.

De cette manière, il a été possible ces dernières années de construire des ordinateurs quantiques avec des pièges à ions contenant environ 30 qubits. Des ordinateurs quantiques beaucoup plus grands ne peuvent toutefois pas être réalisés directement avec cette technique. Les champs oscillants rendent difficile la combinaison de plusieurs pièges de ce type sur une seule puce, et leur utilisation chauffe le piège - un problème d'autant plus important que les systèmes sont grands. Entre-temps, le transport des ions est limité à des sections linéaires reliées par des croix.

Piège à ions avec champ magnétique

Une équipe de recherche de l'ETH Zurich dirigée par Jonathan Home vient de démontrer que les pièges à ions utilisables dans les ordinateurs quantiques peuvent également être construits en utilisant des champs magnétiques statiques au lieu de champs oscillants. Dans ces pièges statiques avec un champ magnétique supplémentaire, appelés pièges de Penning, tant le transport arbitraire que les opérations nécessaires aux futurs superordinateurs ont été réalisés. Les scientifiques ont récemment publié leurs résultats dans la revue scientifique Nature.

«Traditionnellement, les pièges de Penning sont utilisés lorsqu'on veut piéger un très grand nombre d'ions pour des expériences de précision, mais sans avoir à les contrôler individuellement», explique Shreyans Jain, étudiant en doctorat : «En revanche, dans les petits ordinateurs quantiques basés sur des ions, on utilise des pièges de Paul».

L'idée des scientifiques de l'ETH Zurich de construire les futurs ordinateurs quantiques en utilisant également les pièges de Penning a d'abord été accueillie avec scepticisme par leurs collègues. Et ce pour plusieurs raisons : Les pièges de Penning nécessitent des aimants extrêmement puissants, qui sont très chers et plutôt encombrants. En outre, toutes les réalisations précédentes de pièges de Penning étaient très symétriques, ce qui n'est pas le cas des structures à l'échelle de la puce utilisées à l'ETH Zurch. En plaçant l'expérience à l'intérieur d'un gros aimant, il est difficile de guider les faisceaux laser nécessaires pour contrôler les qubits dans le piège, tandis que des champs magnétiques puissants augmentent l'espacement entre les états d'énergie des qubits. Cela rend les systèmes laser de contrôle beaucoup plus complexes : au lieu d'un simple laser à diode, plusieurs lasers à verrouillage de phase sont nécessaires.

Transport dans des directions arbitraires

Jonathan Home et ses collaboratrices et collaborateurs n'ont cependant pas été découragés par ces difficultés et ont construit un piège de Penning basé sur un aimant supraconducteur et une puce microfabriquée avec plusieurs électrodes, qui a été produite au Physikalisch-Technische Bundesanstalt à Braunschweig. L'aimant utilisé délivre un champ de 3 Tesla, presque 100'000 fois plus puissant que le champ magnétique terrestre. À l'aide d'un système de miroirs refroidis par cryogénie, les chercheurs et chercheuses zurichoises ont réussi à canaliser la lumière laser nécessaire vers les ions à travers l'aimant.

Les efforts ont porté leurs fruits : un seul ion piégé, qui peut rester dans le piège pendant plusieurs jours, peut désormais être déplacé arbitrairement sur la puce, reliant des points en ligne droite en contrôlant les différentes électrodes - ce qui n'était pas possible auparavant avec l'ancienne approche basée sur les champs oscillants. Comme aucun champ oscillant n'est nécessaire pour le piégeage, il est possible de placer un grand nombre de ces pièges sur une seule puce. «Une fois qu'ils sont chargés, nous pouvons même isoler complètement les électrodes du monde extérieur et ainsi étudier dans quelle mesure les ions sont perturbés par des influences externes», explique Tobias Sägesser, qui a participé à l'expérience en tant qu'étudiant en doctorat.

Contrôle cohérent du qubit

Les scientifiques ont également démontré que les états énergétiques des qubits de l'ion piégé pouvaient également être contrôlés tout en maintenant les superpositions mécaniques quantiques. Le contrôle cohérent a fonctionné à la fois avec les états électroniques (internes) de l'ion et les états d'oscillation quantifiés (externes), ainsi que pour le couplage des états quantiques internes et externes. Ce dernier point est une condition préalable à la création d'états intriqués, qui sont importants pour les ordinateurs quantiques.

Dans une prochaine étape, Jonathan Home souhaite piéger deux ions dans des pièges de Penning voisins sur la même puce et démontrer ainsi qu'il est possible d'effectuer des opérations quantiques avec plusieurs qubits. Ce serait la preuve définitive que les ordinateurs quantiques peuvent être réalisés à l'aide d'ions dans des pièges de Penning. Le professeur envisage également d'autres applications. Par exemple, étant donné que les ions dans le nouveau piège peuvent être déplacés de manière flexible, ils peuvent être utilisés pour sonder les champs électriques, magnétiques ou micro-ondes près des surfaces. Cela ouvre la possibilité d'utiliser ces systèmes comme capteurs atomiques des propriétés des surfaces.