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Au cours des dernières années, mené par de grandes entreprises comme IBM et Google, un important effort de recherche s’est tourné vers le développement et la réalisation d’ordinateurs quantiques effectifs. L’une des technologies les plus prometteuses en la matière est l’ordinateur quantique à piégeage d’ions. Toutefois, cette technologie est très sensible aux instabilités mécaniques et thermiques. Récemment, des chercheurs ont mis au point une technologie quantique à piégeage ionique améliorée, résolvant les problèmes d’instabilité usuels, offrant ainsi la possibilité de mettre au point un ordinateur quantique pratique à court terme.

Pour la première fois, les chercheurs ont conçu un registre informatique quantique à ions piégés de 32 qubits entièrement connecté, fonctionnant à des températures cryogéniques. Le nouveau système représente une étape importante vers le développement d’ordinateurs quantiques pratiques.

Au lieu d’utiliser des bits informatiques traditionnels qui ne peuvent être que des zéros ou des uns, les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, qui peuvent être dans une superposition d’états zéro ET un. Cela permet aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes trop complexes pour les ordinateurs traditionnels.

Ordinateur quantique à piégeage ionique : une technologie quantique prometteuse

Les ordinateurs quantiques à ions piégés sont parmi les types de technologies quantiques les plus prometteurs pour l’informatique quantique, mais il a été difficile de créer ces ordinateurs avec suffisamment de qubits pour une utilisation pratique.

« En collaboration avec l’Université du Maryland, nous avons conçu et construit plusieurs générations d’ordinateurs quantiques à pièges à ions entièrement programmables. Ce système est le dernier résultat de nos travaux dans lequel de nombreux défis menant à la fiabilité à long terme sont résolus de front », explique Junki Kim, de l’université de Duke.

piege ions

Schéma simplifié d’un système de piégeage ionique au sein d’un ordinateur quantique. Crédits : MIT

Les ordinateurs quantiques à ions piégés refroidissent les ions à des températures extrêmement basses, ce qui leur permet d’être mis en suspension dans un champ électromagnétique au sein d’un vide ultra-poussé, puis manipulés avec des lasers précis pour former des qubits.

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Neutraliser les instabilités mécanique et thermique

Jusqu’à présent, l’obtention de performances de calcul élevées dans les systèmes de piège à ions à grande échelle a été entravée par les collisions avec des molécules de fond perturbant la chaîne ionique, l’instabilité des faisceaux laser produisant les portes logiques vues par l’ion et le bruit de champ électrique provenant des électrodes de piégeage agitant le mouvement de l’ion, souvent utilisé pour créer une intrication.

Dans leurs travaux, Kim et ses collègues ont relevé ces défis en incorporant des approches radicalement nouvelles. Les ions sont piégés dans une enceinte à ultravide, localisée à l’intérieur d’un cryostat à cycle fermé refroidi à des températures moyennes de 4 K (-269,15 °C) avec des vibrations minimales. Cette disposition élimine la perturbation de la chaîne de qubit résultant de collisions avec des molécules résiduelles de l’environnement, et supprime fortement l’échauffement anormal de la surface du piège.

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Des systèmes optiques considérablement optimisés

Pour obtenir des profils de faisceau laser propres et minimiser les erreurs, les chercheurs ont utilisé une fibre à cristal photonique pour connecter diverses parties du système optique Raman qui pilote les portes qubit, les éléments constitutifs des circuits quantiques. De plus, les délicats systèmes laser nécessaires pour faire fonctionner les ordinateurs quantiques sont conçus pour être retirés de la table optique et installés dans des racks d’instruments.

Les faisceaux laser sont ensuite fournis au système dans des fibres optiques monomodes. Ils ont adopté de nouvelles façons de concevoir et de mettre en œuvre des systèmes optiques qui éliminent fondamentalement les instabilités mécaniques et thermiques pour créer une configuration laser clé en main pour les ordinateurs quantiques à ions piégés.

Un registre quantique pratique allant jusqu’à 32 qubits

Les chercheurs ont démontré que le système est capable de charger automatiquement à la demande des chaînes de qubit ioniques et peut effectuer de simples manipulations de qubits en utilisant des champs micro-ondes. L’équipe a fait de solides progrès dans la mise en œuvre de portes intriquées, pouvant atteindre 32 qubits.

Dans ses travaux futurs, et en collaboration avec des informaticiens et des chercheurs en algorithmes quantiques, l’équipe prévoit d’intégrer des logiciels spécifiques avec le matériel informatique quantique à ions piégés. Le système entièrement intégré, composé de qubits d’ions piégés entièrement connectés et de logiciels spécifiques au matériel, jettera les bases d’ordinateurs quantiques à piégeage ionique pratiques.

Sources : OSA Quantum 2.0

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