La manipulation de l’énergie au niveau quantique au sein de processeurs est délicate. La distribution d’énergie est contrainte par les lois physiques à être discrète, c’est-à-dire à adopter des niveaux d’énergie qu’il faut franchir un à un. Cependant, une équipe de physiciens a pour la première fois démontré qu’il était possible de contrôler cette énergie en lui faisant franchir plusieurs niveaux à la fois, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives en matière de technologies quantiques.
L’un des problèmes majeurs liés à la construction de processeurs quantiques est que la capacité de suivre et de contrôler les systèmes quantiques en temps réel est une tâche extrêmement complexe : manipuler ces systèmes sans précaution entraîne des erreurs significatives qui sont introduites dans le résultat final. Le nouveau travail effectué par une équipe de l’université Aalto (Finlande) devrait permettre de contourner ces obstacles.
Pour y arriver, les chercheurs ont contrôlé les phénomènes quantiques dans un circuit électronique conçu sur mesure appelé transmon. Lorsqu’une puce de transmon est refroidie à quelques millièmes de degrés au-dessus du zéro absolu, elle entre dans le monde quantique et commence à se comporter comme un atome artificiel. Une des caractéristiques quantiques qui intéresse les chercheurs est que l’énergie du transmetteur ne peut prendre que des valeurs spécifiques, appelées niveaux d’énergie.
Les niveaux d’énergie sont comme les échelons d’une échelle : une personne qui grimpe à une échelle doit s’arrêter sur un barreau et ne peut pas stationner quelque part entre deux barreaux. De même, l’énergie du transmetteur ne peut prendre que les valeurs définies des niveaux d’énergie. Lorsque des micro-ondes sont envoyées sur le circuit, le transmon peut absorber l’énergie et gravir les échelons de l’échelle.
Dans une étude publiée dans la revue Science Advances, un groupe de l’université Aalto, dirigé par Docent Sorin Paraoanu, maître de conférences au département de physique appliquée, a réussi à faire progresser le transmon de plus d’un niveau d’énergie à la fois. Auparavant, cela n’était possible que par des ajustements très doux et lents des signaux hyperfréquences qui contrôlent l’appareil.
Dans ce nouveau travail, un signal de commande hyperfréquence supplémentaire mis en forme de manière très spécifique permet un changement très précis et rapide du niveau d’énergie. Antti Vepsäläinen, l’auteur principal, explique : « Nous avons un dicton en Finlande : « hiljaa hyvää tulee » (le faire lentement). Mais nous avons réussi à montrer qu’en corrigeant en permanence l’état du système, nous pouvons conduire ce processus plus rapidement et avec une grande fidélité ».
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Sergey Danilin, l’un des coauteurs, décrit le contrôle quantique — le processus consistant à utiliser des puces comme des transmons pour construire des ordinateurs quantiques — en étendant l’analogie de l’échelle. « Pour obtenir un système quantique utile, vous devez imaginer grimper sur une échelle tout en tenant un verre d’eau, cela fonctionne si vous le faites en douceur — mais si vous le faites trop vite, l’eau sera renversée. Cela nécessite certainement une compétence particulière ».
Les chercheurs ont découvert que, dans le monde quantique, l’astuce pour « gravir rapidement les échelons sans renverser d’eau » est de sauter prudemment deux barreaux à la fois. Ce raccourci de l’échelle énergétique a été réalisé en faisant en sorte que le transmon absorbe deux photons micro-ondes différents en même temps. Les lois de la physique limitent la vitesse à laquelle un commutateur d’énergie quantique peut agir, même avec des raccourcis.
Cette restriction est appelée « limite de vitesse quantique ». Les scientifiques d’Aalto ont découvert que leur nouvelle méthode entraînait des modifications du niveau d’énergie qui se produisaient à des vitesses proches de cette limite, calculée théoriquement. L’impact plus large de la capacité à contrôler les transferts d’énergie à grande vitesse dans les systèmes quantiques suscite également l’intérêt de l’équipe.
Les applications d’informatique quantique et de simulation quantique, qui nécessitent des opérations rapides et extrêmement robustes telles que la préparation d’états et la création de portes quantiques, revêtent une importance considérable. Les opportunités se développent également dans d’autres directions.
« Nous aimerions comprendre plus en profondeur les processus liés au transfert d’énergie, qui sont omniprésents dans le monde naturel et dans les merveilles technologiques qui nous entourent. Par exemple, y a-t-il des limites fondamentales à la vitesse à laquelle nous pouvons charger la batterie d’une voiture électrique ? » conclut Paraoanu.