Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont essayé de développer des ordinateurs quantiques de plus en plus avancés et puissants, ce qui pourrait surpasser les ordinateurs classiques sur certaines tâches. Pour y parvenir, ils ont essayé d'identifier de nouvelles façons de stocker et de manipuler des qubits, qui sont les unités fondamentales d'information dans les systèmes informatiques quantiques.
Jusqu'à présent, la plupart des études ont développé des systèmes quantiques qui stockent des qubits en utilisant des matériaux supraconducteurs, des ions piégés et le spin d'électrons confinés dans des points quantiques (c'est-à-dire, de minuscules structures à base de semi-conducteurs).
Une autre plate-forme prometteuse et pourtant jusqu'à présent explorée pour le stockage et la manipulation des qubits repose sur des molécules polyatomiques polaires, qui sont des molécules avec plus de deux atomes et une distribution inégale de la charge électrique.
Des chercheurs du Max Planck Institute for Quantum Optics ont réalisé une étude explorant la possibilité de stocker et de mesurer des superpositions quantiques dans des états quantiques rotationnels spécifiques de ces molécules.
Leur article, publié dans Lettres d'examen physiquedévoile une nouvelle avenue intéressante pour le développement de technologies de calcul quantique et de détection, en tirant parti des états de rotation des molécules polyatomiques froides.
« Nous travaillons déjà avec du formaldéhyde et des molécules similaires depuis de nombreuses années et nous avons toujours su que les états de rotation avec lesquels nous avons travaillé étaient en fait des paires d'état dégénérées correspondant à la rotation dans le sens horaire et antihoraire, mais nous avons plus ou moins ignoré ce fait », a déclaré Maximilian Löw, premier auteur du journal,, à Issues.fr.
« Je me souviens encore qu'un jour, Martin Zeppenfeld a assemblé l'équipe de molécules et nous a dit qu'il avait une idée de la façon de mesurer la cohérence entre ces états en profitant de la légère asymétrie des molécules de formaldéhyde. Bien sûr, à partir de là, il était encore un moyen de commencer. »
Löw, Zeppenfeld et leurs collègues ont montré que les états quantiques rotations spécifiques des molécules polaires sont particulièrement adaptés pour stocker des superpositions quantiques.
Leur étude récente s'est appuyée sur leurs connaissances selon lesquelles les états de rotation moléculaire avec une projection non nulle du moment angulaire sur la direction du champ électrique viennent en paires, une version rotative dans le sens horaire et dans le sens antihoraire (c'est-à-dire des paires d'états de rotation opposée), qui à bien des égards ont des propriétés indiscernables.
« Pendant longtemps, c'était toujours un peu une gêne pour nous, car, pour simplifier, il était commode de considérer chaque paire d'États comme un seul État, mais pour l'exhaustivité, nous avons toujours ajouté une note à nos papiers que chacun de nos` `états '' consistait en fait en une paire d'États », a déclaré Zeppenfeld, auteur principal du journal, a dit Issues.fr.
« À un moment donné, j'ai réalisé, cependant, que ce bug peut être considéré comme une caractéristique majeure, car une superposition quantique pourrait être essentiellement cachée dans ces paires d'états, en raison de leurs propriétés identiques à bien des égards, tout en traitant les degrés moléculaires restants de la liberté indépendamment. »
L'idée derrière les travaux récents de Löw, Zeppenfeld et leurs collègues est que les paires d'états de rotation opposée dans des molécules polaires pourraient être utilisées pour permettre le stockage robuste des informations quantiques. En effet, l'appariement entre ces états peut être considéré comme indépendant des degrés de liberté moléculaires restants.
« J'ai écrit en détail sur cette idée dans une publication théorique simultanée », a expliqué Zeppenfeld.
« Réaliser que ces paires sont intéressantes ne sont que la moitié de l'histoire, car depuis longtemps, nous ne savions pas comment produire et mesurer des superpositions dans ces États. À un moment donné, nous avons réalisé, cependant, que cela serait possible en utilisant la nature légèrement asymétrique du formaldéhyde. »
L'objectif principal de l'étude récente était de démontrer que les superpositions quantiques peuvent être stockées et mesurées dans les paires d'états de rotation opposée de molécules de formaldéhyde. Pour y parvenir, cependant, ils ont d'abord dû refroidir et piéger de manière fiable ces molécules.
« Avant même, nous pouvons même penser aux mesures de cohérence, nous devons refroidir ou du moins ralentir suffisamment les molécules et les piéger », a déclaré Löw.
«Les méthodes de piégeage et de refroidissement que nous utilisons ont été principalement développées dans notre groupe et diffèrent beaucoup des approches de la plupart des autres groupes de recherche dans le domaine des molécules froides.
« Notre piège, par exemple, est un piège électrostatique: comme nos molécules possèdent un moment dipolaire électrique permanent, ils« se sentent »(si vous excusez ce langage non scientifique) des champs électriques qui nous permettent de les piéger (s'ils occupent les bons états). »
Le piège électrique microstructuré unique conçu et employé par les chercheurs est bien adapté pour le piégeage et le refroidissement des molécules froides. Néanmoins, ils fournissent un accès optique insuffisant et présentent des inhomogénéités sur le terrain, ils ne sont donc pas l'emplacement idéal dans lequel effectuer des mesures de cohérence.
« Pour cette raison, nous avons dû devenir un peu créatifs avec notre schéma de mesure », a expliqué Löw.
« En exploitant la légère structure asymétrique du formaldéhyde, nous avons utilisé le rayonnement RF pour éliminer sélectivement les molécules dans un état de superposition de notre paire d'État cible de notre piège, tout en laissant l'état de superposition complémentaire intact. Cela crée un déséquilibre de population entre les deux.
« Lorsque vous ajoutez un champ magnétique externe au mélange et vérifiez la population de l'un des deux états un peu plus tard, vous vous retrouvez avec ces beaux modèles d'oscillation montrés dans notre article, qui prouvent l'existence de la cohérence entre les deux états de superposition. »
Pour refroidir leurs molécules, les chercheurs ont utilisé une technique connue sous le nom de refroidissement optoélectrique de sisyphe, ce qui permet le refroidissement du formaldéhyde et d'autres molécules polaires à des températures très basses. Le principal défi que les chercheurs ont dû surmonter était de coder la superposition quantique dans les paires d'états souhaitées et de démontrer ensuite l'existence de ces états expérimentalement.
Leurs efforts ont réussi et pouvaient ouvrir de nouvelles possibilités pour le développement futur de systèmes informatiques quantiques. Plus précisément, leur article introduit un nouveau paradigme pour la réalisation d'architectures informatiques quantiques multi-Qubit enracinées dans des molécules uniques basées sur des degrés de liberté quasi coiffés.
« L'aspect principal de cette architecture est qu'un seul qubit est stocké dans un degré moléculaire de liberté qui est bien isolé des degrés de liberté restants, permettant à des qubits supplémentaires d'être stockés et manipulés indépendamment dans les degrés de liberté restants », a expliqué Zeppenfeld.
« Pour rendre la connexion avec le reste de la discussion claire, le degré de liberté isolé serait l'association des états rotatifs dans le sens horaire et antihoraire, qui est très bien isolé en raison des propriétés identiques à bien des égards des deux états dans chaque paire. Dans notre article, nous avons fait un grand pas dans la démonstration de ce paradigme en préparant et en mesurant une superposition quantique dans ces paires d'État isolés. »
Une autre réalisation remarquable de l'étude des chercheurs est que la superposition dans leurs paires d'État s'est révélée extrêmement robuste, étant donné que l'environnement de leur expérience était considérablement bruyant.
Dans des conditions expérimentales similaires, un piège électrique générique détruirait une superposition entre une paire générique d'états en moins d'une nanoseconde, en raison des champs électriques distincts dans différentes parties du piège.
« Alors que les propriétés uniques de notre piège électrique microstructuré augmentent le temps de cohérence possible pour une paire générique d'états à environ 100 nanosecondes, la dépendance identique à l'amplitude du champ électrique pour les deux états dans chacune de nos paires nous permet, en fait, d'observer des temps de cohérence d'environ 100 microsecondes », a déclaré Zeppenfeld.
« De plus, cela n'est pas limité par une décohérence réelle, mais au moment où nous pouvons garder une molécule donnée sous observation. Donc, cela montre vraiment la robustesse de nos qubits. »
Les chercheurs espèrent que leur étude inspirera des recherches supplémentaires sur le potentiel de la plate-forme expérimentale qu'ils ont décrite. Ces efforts pourraient à leur tour faciliter le développement de systèmes informatiques quantiques basés sur des molécules polaires.
« En ce qui concerne les implications de notre travail, j'espère que les recherches futures permettra à une mise en œuvre complète de degrés de liberté quasi coiffés en tant que plate-forme informatique quantique pour être démontrée expérimentalement, notamment le codage, la manipulation et la lecture des qubits dans le degré moléculaire restre Degré de liberté quasi-massif et les qubits stockés dans les degrés de liberté restants « , a déclaré Zeppenfeld.
« Cela pourrait vraiment aider à faire des molécules polaires une plate-forme compétitive pour l'informatique quantique. »
Malheureusement, Zeppenfeld et son équipe n'ont pas encore reçu le financement qui leur permettrait de continuer à évaluer le potentiel des molécules polaires pour faire progresser l'informatique quantique. Néanmoins, d'autres équipes de recherche pourraient s'inspirer de leur récent article, contribuant à la validation ultérieure de leur théorie et de leur plate-forme expérimentale proposée.
« Tout au long de mes 20 années de travail dans le domaine des molécules froides et ultracold, j'ai malheureusement lutté par le mal à avoir de nouvelles idées originales (et quelque peu exotiques) acceptées par la communauté scientifique », a déclaré Zeppenfeld.
«Cependant, il y a beaucoup d'excellents travaux effectués par d'autres groupes expérimentaux sur d'autres espèces de molécules, et j'espère qu'ils seront prêts à essayer de mettre en œuvre les idées que nous avons présentées.
« De plus, dans un article théorique récent, des collègues en Autriche et aux États-Unis discutent de la façon dont leurs idées très différentes peuvent être comprises dans le cadre de notre propre travail, c'est-à-dire que les degrés de liberté quasi cachés, et cela montre comment il y a un peu de potentiel pour développer notre travail dans des directions inattendues. »
