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May 27, 2023

L'effet optique fait progresser l'informatique quantique avec des qubits atomiques vers une nouvelle dimension

1 juin 2023 Cet article

1 juin 2023

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par l'Université technique de Darmstadt

Les physiciens de Darmstadt ont développé une technique qui pourrait surmonter l'un des plus grands obstacles à la construction d'un ordinateur quantique pratiquement pertinent. Ils utilisent un effet optique découvert ici par le pionnier britannique de la photo William Talbot en 1836. L'équipe dirigée par Malte Schlosser et Gerhard Birkl de l'Institut de physique appliquée de la Technische Universität Darmstadt présente ce succès dans la revue Physical Review Letters.

Les ordinateurs quantiques sont capables de résoudre certaines tâches beaucoup plus rapidement que les superordinateurs. Cependant, il n'y a eu jusqu'à présent que des prototypes avec un maximum de quelques centaines de "qubits". Ce sont les unités d'information de base en informatique quantique, correspondant aux "bits" en informatique classique. Cependant, contrairement aux bits, les qubits peuvent traiter les deux valeurs "0" ou "1" simultanément au lieu de l'une après l'autre, ce qui permet aux ordinateurs quantiques d'effectuer un grand nombre de calculs en parallèle.

Des ordinateurs quantiques avec plusieurs milliers, voire plusieurs millions de qubits seraient nécessaires pour des applications pratiques, telles que l'optimisation de flux de trafic complexes. Cependant, l'ajout de qubits consomme des ressources, telles que la sortie laser, ce qui a jusqu'à présent entravé le développement des ordinateurs quantiques. L'équipe de Darmstadt a maintenant montré comment l'effet Talbot optique peut être utilisé pour augmenter le nombre de qubits de plusieurs centaines à plus de dix mille sans nécessiter proportionnellement de ressources supplémentaires.

Les qubits peuvent être réalisés de différentes manières. Des géants de la technologie tels que Google, par exemple, utilisent des éléments de circuits supraconducteurs fabriqués artificiellement. Cependant, les atomes individuels sont également excellents à cette fin. Pour les contrôler de manière ciblée, les qubits à un seul atome doivent être maintenus dans un réseau régulier, semblable à un échiquier.

Pour cela, les physiciens utilisent généralement un "réseau optique" de points lumineux disposés régulièrement, qui se forme lorsque les faisceaux laser se croisent. "Si vous souhaitez augmenter le nombre de qubits d'un certain facteur, vous devez également augmenter en conséquence la puissance du laser", explique Birkl.

Son équipe produit le réseau optique de manière innovante. Ils font briller un laser sur un élément en verre de la taille d'un ongle, sur lequel de minuscules lentilles optiques sont disposées comme un échiquier. Chaque microlentille regroupe une petite partie du faisceau laser, créant ainsi un plan de points focaux pouvant contenir des atomes.

Maintenant, l'effet Talbot se produit au-dessus, ce qui a jusqu'à présent été considéré comme une nuisance : la couche de points focaux est répétée plusieurs fois à intervalles égaux ; ce que l'on appelle des "images de soi" sont créées. Par conséquent, un réseau optique en 2D devient un en 3D avec plusieurs fois les points de lumière. "Nous l'obtenons gratuitement", déclare Malte Schlosser, l'auteur principal de l'ouvrage. Il signifie qu'aucune sortie laser supplémentaire n'est nécessaire pour cela.

La haute précision de fabrication des microlentilles conduit à des auto-images disposées très régulièrement, qui peuvent être utilisées pour les qubits. Les chercheurs ont en effet pu charger les couches supplémentaires avec des atomes individuels. Avec la sortie laser donnée, 16 de ces couches libres ont été créées, permettant potentiellement plus de 10 000 qubits. Selon Schlosser, les lasers conventionnels peuvent être utilisés pour quadrupler la puissance à l'avenir.

"Le champ des microlentilles peut également être optimisé davantage", explique Birkl, par exemple en créant plus de points focaux avec des lentilles plus petites. 100 000 qubits et plus seront donc possibles dans un avenir prévisible. L'évolutivité du nombre de qubits montrée par l'équipe représente une étape importante vers le développement d'ordinateurs quantiques praticables.

Schlosser souligne que la technologie ne se limite pas aux ordinateurs quantiques. "Notre plate-forme pourrait également être applicable aux horloges atomiques optiques de haute précision." L'équipe de Darmstadt prévoit de développer davantage sa nouvelle plate-forme qubit et envisage une variété d'applications possibles dans le domaine des technologies quantiques.

Plus d'information: Malte Schlosser et al, Architecture multicouche évolutive de réseaux de qubits à atome unique assemblés dans un treillis tridimensionnel Talbot Tweezer, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.180601

Informations sur la revue :Lettres d'examen physique

Fourni par l'Université technique de Darmstadt