Les ordinateurs quantiques auront besoin d'un grand nombre de qubits pour s'attaquer aux problèmes difficiles en physique, en chimie et au-delà. Contrairement aux bits classiques, les qubits peuvent exister dans deux états à la fois – un phénomène appelé superposition. Cette bizarrerie de la physique quantique donne aux ordinateurs quantiques le potentiel d'effectuer mieux certains calculs complexes que leurs homologues classiques, mais cela signifie également que les qubits sont fragiles. Pour compenser, les chercheurs construisent des ordinateurs quantiques avec des qubits supplémentaires et redondants pour corriger les erreurs. C'est pourquoi des ordinateurs quantiques robustes nécessiteront des centaines de milliers de qubits.
Maintenant, dans une étape vers cette vision, les physiciens de Caltech ont créé le plus grand réseau de qubit jamais assemblé: 6 100 qubits à atomes neutres piégés dans une grille par lasers. Des tableaux précédents de ce type ne contenaient que des centaines de qubits.
Cette étape intervient au milieu d'une race à croissance rapide pour augmenter les ordinateurs quantiques. Il existe plusieurs approches dans le développement, y compris celles basées sur des circuits supraconducteurs, des ions piégés et des atomes neutres, comme utilisé dans la nouvelle étude.
« C'est un moment passionnant pour l'informatique quantique à atomes neutres », explique Manuel Endres, professeur de physique à Caltech. « Nous pouvons maintenant voir une voie vers de grands ordinateurs quantiques corrigés par des erreurs. Les blocs de construction sont en place. » ENDRES est le chercheur principal de la recherche publiée aujourd'hui dans Nature. Trois étudiants diplômés de Caltech ont dirigé l'étude: Hannah Manetsch, Gyohei Nomura et Elie Bataille.
L'équipe a utilisé des pincettes optiques – des faisceaux laser très ciblés – pour piéger des milliers d'atomes de césium individuels dans une grille. Pour construire la gamme d'atomes, les chercheurs ont divisé un faisceau laser en 12 000 pincettes, qui contenaient ensemble 6 100 atomes dans une chambre à vide. « À l'écran, nous pouvons réellement voir chaque qubit comme un point de vue de la lumière », explique Manetsch. « C'est une image frappante de matériel quantique à grande échelle. »
Une réalisation clé a montré que cette plus grande échelle ne se faisait pas au détriment de la qualité. Même avec plus de 6 000 qubits dans un seul tableau, l'équipe les a maintenus en superposition pendant environ 13 secondes – plus de 10 fois plus longues que ce qui était possible dans des tableaux similaires précédents – tout en manipulant des qubits individuels avec une précision de 99,98%.
« On pense souvent que la grande échelle, avec plus d'atomes, se fait au détriment de la précision, mais nos résultats montrent que nous pouvons faire les deux », explique Nomura. « Les qubits ne sont pas utiles sans qualité. Maintenant, nous avons la quantité et la qualité. »
L'équipe a également démontré qu'ils pouvaient déplacer les atomes des centaines de micromètres à travers le tableau tout en maintenant la superposition. La possibilité de nuire aux qubits est une caractéristique clé des ordinateurs quantiques à atomes neutres qui permet une correction d'erreur plus efficace par rapport aux plates-formes traditionnelles câblées comme les qubits supraconducteurs.
Manetsch compare la tâche de déplacer les atomes individuels tout en les gardant dans un état de superposition pour équilibrer un verre d'eau pendant la course. « Essayer de tenir un atome tout en se déplaçant, c'est comme essayer de ne pas laisser le verre d'eau. Essayer de garder également l'atome dans un état de superposition, c'est comme faire attention à ne pas courir si vite que l'eau éclabousse », dit-elle.
La prochaine grande étape pour le domaine consiste à mettre en œuvre une correction d'erreur quantique à l'échelle de milliers de qubits physiques, et ce travail montre que les atomes neutres sont un candidat fort pour y arriver.
« Les ordinateurs quantiques devront coder des informations d'une manière tolérante aux erreurs, afin que nous puissions réellement faire des calculs de valeur », explique Bataille. « Contrairement aux ordinateurs classiques, les qubits ne peuvent pas être simplement copiés en raison du soi-disant théorème sans clonage, donc la correction des erreurs doit s'appuyer sur des stratégies plus subtiles. »
Pour l'avenir, les chercheurs prévoient de relier les qubits dans leur tableau ensemble dans un état d'enchevêtrement, où les particules deviennent corrélées et se comportent comme une seule. L'intrication est une étape nécessaire pour que les ordinateurs quantiques passent au-delà du simple stockage d'informations en superposition; L'intrication leur permettra de commencer à effectuer des calculs quantiques complets. C'est aussi ce qui donne aux ordinateurs quantiques leur pouvoir ultime – la capacité de simuler la nature elle-même, où l'enchevêtrement façonne le comportement de la matière à chaque échelle.
L'objectif est clair: exploiter l'enchevêtrement pour débloquer de nouvelles découvertes scientifiques, de la révélation de nouvelles phases de matière à guider la conception de nouveaux matériaux et à modéliser les champs quantiques qui régissent l'espace-temps.
« C'est excitant que nous créons des machines pour nous aider à découvrir l'univers de manière à ce que seule la mécanique quantique puisse nous apprendre », explique Manetsch.
