Le dispositif expérimental des chercheurs de l'ETH. La puce piège est située à l’intérieur du conteneur sous la coupole en argent, dans laquelle une lentille capte la lumière émise par les ions piégés. Crédit: ETH Zurich / Pavel Hrmo
Des chercheurs de l’ETH ont réussi à piéger des ions à l’aide de champs électriques et magnétiques statiques et à effectuer sur eux des opérations quantiques. À l’avenir, de tels pièges pourraient être utilisés pour réaliser des ordinateurs quantiques dotés de bien plus de bits quantiques que ce qui était possible jusqu’à présent.
- L’utilisation d’un champ électromagnétique oscillant dans les pièges à ions limite le nombre de qubits actuellement réalisable dans les ordinateurs quantiques.
- Des chercheurs de l’ETH ont créé un piège à ions sur une puce microfabriquée en utilisant uniquement des champs statiques – un champ électrique et un champ magnétique – dans lesquels des opérations quantiques peuvent être effectuées.
- Dans ce piège, les ions peuvent être transportés dans des directions arbitraires, et plusieurs de ces pièges s'adaptent à une seule puce.
Les états énergétiques des électrons dans un atome suivent les lois de la mécanique quantique : elles ne sont pas distribuées en continu mais limitées à certaines valeurs bien définies – c'est aussi ce qu'on appelle la quantification. De tels états quantifiés constituent la base des bits quantiques (qubits), avec lesquels les scientifiques souhaitent construire des ordinateurs quantiques extrêmement puissants. Pour cela, les atomes doivent être refroidis et piégés au même endroit.
Un piégeage puissant peut être obtenu en ionisant les atomes, ce qui signifie leur donner une charge électrique. Cependant, une loi fondamentale de l’électromagnétisme stipule que les champs électriques constants dans le temps ne peuvent pas piéger une seule particule chargée. En revanche, en ajoutant un champ électromagnétique oscillant, on obtient un piège à ions stable, également appelé piège de Paul.
De cette manière, il a été possible ces dernières années de construire des ordinateurs quantiques dotés de pièges à ions contenant environ 30 qubits. Cependant, des ordinateurs quantiques beaucoup plus grands ne peuvent pas être réalisés directement avec cette technique. Les champs oscillants rendent difficile la combinaison de plusieurs pièges de ce type sur une seule puce, et leur utilisation chauffe le piège – un problème plus important à mesure que les systèmes deviennent plus grands. Pendant ce temps, le transport des ions est limité à des sections linéaires reliées par des croix.
En déplaçant un seul ion piégé dans un plan bidimensionnel et en l’éclairant avec un faisceau laser, les chercheurs peuvent créer le logo de l’ETH. L'image est formée en faisant la moyenne de nombreuses répétitions de la séquence de transport. Crédit : ETH Zurich / Institut d'électronique quantique
Piège à ions avec champ magnétique
Une équipe de chercheurs de l'ETH Zurich dirigée par Jonathan Home a démontré que des pièges à ions adaptés aux ordinateurs quantiques peuvent également être construits en utilisant des champs magnétiques statiques au lieu de champs oscillants. Dans ces pièges statiques dotés d'un champ magnétique supplémentaire, appelés pièges de Penning, ont été réalisés à la fois le transport arbitraire et les opérations nécessaires aux futurs supercalculateurs. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue scientifique Nature.
« Traditionnellement, les pièges de Penning sont utilisés lorsque l'on veut piéger un très grand nombre d'ions pour des expériences de précision, mais sans avoir à les contrôler individuellement », explique Shreyans Jain, doctorant : « En revanche, dans les petits ordinateurs quantiques basés sur les ions, les pièges de Paul sont utilisé. »
L’idée des chercheurs de l’ETH de construire de futurs ordinateurs quantiques utilisant également des pièges de Penning a d’abord été accueillie avec scepticisme par leurs collègues. Pour diverses raisons : Les pièges à enclos nécessitent des aimants extrêmement puissants, très coûteux et plutôt encombrants. De plus, toutes les réalisations précédentes de pièges de Penning étaient très symétriques, ce que les structures à l'échelle des puces utilisées à l'ETH violent. Placer l’expérience à l’intérieur d’un grand aimant rend difficile le guidage des faisceaux laser nécessaires au contrôle des qubits dans le piège, tandis que de puissants champs magnétiques augmentent l’espacement entre les états énergétiques des qubits. Cela rend les systèmes laser de contrôle beaucoup plus complexes : au lieu d'une simple diode laser, plusieurs lasers à verrouillage de phase sont nécessaires.
Schéma montrant la section centrale du piège Penning utilisé. Un ion (rouge) est piégé grâce à une combinaison d'un champ électrique produit par différentes électrodes (jaune) et d'un champ magnétique. Crédit : ETH Zürich / Institut d'électronique quantique
Transport dans des directions arbitraires
Home et ses collaborateurs ne se sont toutefois pas laissé décourager par ces difficultés et ont construit un piège de Penning basé sur un aimant supraconducteur et une puce microfabriquée avec plusieurs électrodes, qui a été produit à la Physikalisch-Technische Bundesanstalt de Braunschweig. L'aimant utilisé délivre un champ de 3 Tesla, soit près de 100'000 fois plus puissant que le champ magnétique terrestre. Grâce à un système de miroirs refroidis cryogéniquement, les chercheurs zurichois ont réussi à canaliser la lumière laser nécessaire vers les ions à travers l'aimant.
Les efforts ont porté leurs fruits : un seul ion piégé, qui peut rester dans le piège pendant plusieurs jours, pouvait désormais être déplacé arbitrairement sur la puce, reliant les points « à vol d'oiseau » en contrôlant les différentes électrodes – ce qui n'était pas possible auparavant avec l'ancienne approche basée sur les champs oscillants. Puisqu’aucun champ oscillant n’est nécessaire pour le piégeage, bon nombre de ces pièges peuvent être regroupés sur une seule puce. «Une fois chargées, nous pouvons même isoler complètement les électrodes du monde extérieur et ainsi étudier dans quelle mesure les ions sont perturbés par des influences extérieures», explique Tobias Sägesser, qui a participé à l'expérience en tant que doctorant.
Contrôle cohérent du Qubit
Les chercheurs ont également démontré que les états énergétiques des qubits de l’ion piégé pouvaient également être contrôlés tout en maintenant les superpositions de mécanique quantique. Le contrôle cohérent fonctionnait à la fois avec les états électroniques (internes) de l'ion et les états d'oscillation quantifiés (externes), ainsi qu'avec le couplage des états quantiques internes et externes. Cette dernière est une condition préalable à la création d’états intriqués, importants pour les ordinateurs quantiques.
Dans une prochaine étape, Home souhaite piéger deux ions dans des pièges de Penning voisins sur la même puce et démontrer ainsi que des opérations quantiques avec plusieurs qubits peuvent également être effectuées. Ce serait la preuve définitive que des ordinateurs quantiques peuvent être réalisés en utilisant des ions dans des pièges de Penning. Le professeur envisage également d’autres applications. Par exemple, étant donné que les ions du nouveau piège peuvent être déplacés de manière flexible, ils peuvent être utilisés pour sonder les champs électriques, magnétiques ou micro-ondes à proximité des surfaces. Cela ouvre la possibilité d’utiliser ces systèmes comme capteurs atomiques des propriétés de surface.
