La science quantique a le potentiel de révolutionner la technologie moderne avec des ordinateurs, des communications et des dispositifs de détection plus efficaces. Mais des défis restent à relever pour atteindre ces objectifs technologiques, en particulier lorsqu’il s’agit de transférer efficacement des informations dans des systèmes quantiques.
Un ordinateur ordinaire se compose de milliards de transistors, appelés bits. Les ordinateurs quantiques, quant à eux, sont basés sur des bits quantiques, également appelés qubits, qui peuvent être fabriqués à partir d’un seul électron.
Une puce semi-conductrice de processeur quantique est montrée connectée à une carte de circuit imprimé. Crédit d’image: Photo de l’Université de Rochester / J.Adam Fenster
Contrairement aux transistors ordinaires, qui peuvent être soit «0» (désactivé) ou «1» (activé), les qubits peuvent être à la fois «0» et «1» en même temps. La capacité des qubits individuels à occuper ces soi-disant états de superposition, où ils sont simultanément dans plusieurs états, sous-tend le grand potentiel des ordinateurs quantiques. Tout comme les ordinateurs ordinaires, cependant, les ordinateurs quantiques ont besoin d’un moyen de transférer des informations quantiques entre des qubits distants – et cela présente un défi expérimental majeur.
Dans une série d’articles publiés dans Communications de la nature, chercheurs du Université de Rochester, comprenant John Nichol, professeur adjoint de physique et d’astronomie, et les étudiants diplômés Yadav Kandel et Haifeng Qiao, les principaux auteurs des articles, rapportent des progrès majeurs dans l’amélioration de l’informatique quantique en améliorant le transfert d’informations entre les électrons dans les systèmes quantiques.
Utiliser un nouvel itinéraire
Dans un papier, les chercheurs ont démontré pour la première fois une voie de transfert d’informations entre qubits, appelée transfert d’état quantique adiabatique (AQT), avec des qubits à spin électronique. Contrairement à la plupart des méthodes de transfert d’informations entre qubits, qui reposent sur des impulsions de champ électrique ou magnétique soigneusement réglées, l’AQT n’est pas aussi affecté par les erreurs d’impulsion et le bruit.
Pour imaginer comment fonctionne l’AQT, imaginez que vous conduisez votre voiture et que vous souhaitez la garer. Si vous n’appuyez pas sur vos freins au bon moment, la voiture ne sera pas là où vous le souhaitez, avec des conséquences négatives potentielles. En ce sens, les impulsions de commande (les pédales d’accélérateur et de frein) de la voiture doivent être réglées avec soin. AQT est différent en ce sens que peu importe la durée pendant laquelle vous appuyez sur les pédales ou la force avec laquelle vous les appuyez: la voiture finira toujours au bon endroit. En conséquence, l’AQT a le potentiel d’améliorer le transfert d’informations entre les qubits, ce qui est essentiel pour la mise en réseau quantique et la correction d’erreurs.
Les chercheurs ont démontré l’efficacité de l’AQT en exploitant l’intrication – l’un des concepts de base de la physique quantique dans lequel les propriétés d’une particule affectent les propriétés d’une autre, même lorsque les particules sont séparées par une grande distance. Les chercheurs ont pu utiliser l’AQT pour transférer l’état de spin quantique d’un électron à travers une chaîne de quatre électrons dans des points quantiques semi-conducteurs – de minuscules semi-conducteurs nanométriques dotés de propriétés remarquables. C’est la plus longue chaîne sur laquelle un état de spin a jamais été transféré, liant le record établi par les chercheurs dans un précédent Nature papier.
«Parce que l’AQT est robuste contre les erreurs d’impulsion et le bruit, et en raison de ses principales applications potentielles dans l’informatique quantique, cette démonstration est une étape clé pour l’informatique quantique avec des qubits de spin», déclare Nichol.
Exploiter un état étrange de la matière
Dans un deuxième papier, les chercheurs ont démontré une autre technique de transfert d’informations entre qubits, en utilisant un état exotique de la matière appelé cristaux de temps. Un cristal temporel est un état étrange de la matière dans lequel les interactions entre les particules qui composent le cristal peuvent stabiliser indéfiniment les oscillations du système dans le temps. Imaginez une horloge qui continue de tourner pour toujours; le pendule de l’horloge oscille dans le temps, tout comme le cristal de temps oscillant.
En mettant en œuvre une série d’impulsions de champ électrique sur des électrons, les chercheurs ont pu créer un état similaire à un cristal temporel. Ils ont découvert qu’ils pouvaient alors exploiter cet état pour améliorer le transfert de l’état de spin d’un électron dans une chaîne de points quantiques semi-conducteurs.
«Notre travail prend les premières mesures pour montrer comment des états étranges et exotiques de la matière, comme les cristaux de temps, peuvent potentiellement être utilisés pour des applications de traitement de l’information quantique, comme le transfert d’informations entre qubits», explique Nichol. «Nous montrons également théoriquement comment ce scénario peut implémenter d’autres opérations à un ou plusieurs qubits qui pourraient être utilisées pour améliorer les performances des ordinateurs quantiques.»
L’AQT et les cristaux de temps, bien que différents, pourraient être utilisés simultanément avec des systèmes de calcul quantique pour améliorer les performances.
«Ces deux résultats illustrent les façons étranges et intéressantes dont la physique quantique permet aux informations d’être envoyées d’un endroit à un autre, ce qui est l’un des principaux défis dans la construction d’ordinateurs et de réseaux quantiques viables», déclare Nichol.
La source: Université de Rochester
