Des atomes neutres polyvalents émergent comme une plate-forme informatique quantique intrigante

Au cours des cinq dernières années, les atomes neutres sont apparus comme des chevaux noirs dans la course à la construction d’un ordinateur quantique, une machine qui exploiterait les lois de la physique quantique pour résoudre certains problèmes de calcul importants bien plus efficacement que n’importe quel ordinateur conventionnel.

Dans un processeur quantique à atomes neutres, les atomes sont suspendus dans un vide ultra poussé par des réseaux de faisceaux laser étroitement focalisés appelés pinces optiques. Les chercheurs sont passés à des réseaux de plus de 100 atomes alcalins, chacun ayant un électron de valence, et ont exécuté des algorithmes quantiques à l’aide de réseaux plus petits. Ils explorent maintenant de nouvelles capacités de traitement et de mesure de l’information quantique dans des réseaux d’atomes à deux électrons de valence, y compris les atomes alcalino-terreux de la deuxième colonne du tableau périodique et quelques autres aux propriétés similaires, comme l’ytterbium.

Les réseaux de pincettes d’atomes alcalino-terreux se sont révélés prometteurs à la fois pour l’informatique quantique et le chronométrage de précision. Ils peuvent coder de nouveaux types de qubits avec de longs temps de cohérence et servir d’horloges atomiques à la pointe de la technologie. À l’avenir, ils pourraient aider les chercheurs à mettre en œuvre des protocoles de correction d’erreurs quantiques tolérants aux pannes et à exploiter l’intrication quantique à grande échelle pour repousser encore les limites des performances de l’horloge atomique.

Comment les atomes deviennent des qubits

Dans un piège à pince optique, le champ électrique du faisceau laser focalisé induit une petite polarisation dans un atome, le tirant vers la région d’intensité maximale au centre du piège. Les chercheurs peuvent ensuite faire glisser l’atome à leur guise ou le maintenir en place et le zapper avec d’autres lasers ou des impulsions micro-ondes pour exciter des transitions atomiques spécifiques.

Pour créer un processeur quantique à atome neutre, les chercheurs génèrent un réseau de pinces optiques en divisant un faisceau laser incident en plusieurs faisceaux qui sont focalisés dans une cellule à vide en verre par une puissante lentille d’objectif de microscope. Des nuages ​​d’atomes froids sont chargés dans le réseau de pincettes, puis mélangés pour produire un réseau rempli avec un seul atome dans chaque pincette. Des dispositifs optiques à l’extérieur de la cellule à vide permettent aux chercheurs de contrôler la position précise de chaque atome, de reconfigurer rapidement le réseau et d’adapter indépendamment le potentiel de piégeage de chaque pince à épiler.

Chaque espèce atomique a une infinité de niveaux d’énergie discrets associés à des états quantiques distincts. Toute paire d’états peut en principe servir de qubit, le bloc de construction de base d’un ordinateur quantique. En pratique, les chercheurs sélectionnent une paire d’états à faible énergie de longue durée qui permettent d’effectuer de nombreuses opérations logiques quantiques consécutives avant que les informations quantiques ne fuient du qubit dans son environnement dans un processus connu sous le nom de décohérence.

Les atomes neutres dans des états de basse énergie interagissent faiblement les uns avec les autres et peuvent donc être regroupés dans des réseaux compacts. Les partisans voient cela comme un avantage clé de l’informatique quantique à atomes neutres par rapport aux approches plus matures qui utilisent des ions piégés dans des champs électriques ou des circuits supraconducteurs à des températures millikelvin. La mise à l’échelle des ordinateurs quantiques de centaines de qubits à des millions est un défi pour toutes les architectures proposées, mais l’espace n’est pas un problème pour les atomes neutres ; un réseau à l’échelle millimétrique pourrait contenir jusqu’à un million de qubits.

Pour activer les interactions entre les qubits, les chercheurs ciblent une paire d’atomes adjacents avec une impulsion laser qui excite l’un d’entre eux dans un état de haute énergie appelé état de Rydberg, dans lequel un électron de valence orbite loin du noyau. Les fortes interactions dipolaires électriques des atomes de Rydberg empêchent le laser d’exciter également son voisin, un effet connu sous le nom de blocage de Rydberg, mais il est impossible de savoir lequel des atomes a été excité. Le résultat est une excitation unique partagée entre deux qubits qui ne peuvent pas être décrites séparément la caractéristique de l’intrication, le phénomène clé qui permet aux ordinateurs quantiques de surpasser leurs homologues classiques. La fidélité de l’intrication de Rydberg s’est nettement améliorée au cours des cinq dernières années, mais reste à la traîne par rapport à celle des ions piégés et des qubits supraconducteurs.

En avril, deux groupes indépendants, l’un dirigé par Mikhail Lukin à l’Université de Harvard et l’autre par Mark Saffman à l’Université du Wisconsin à Madison, ont rapporté les premières démonstrations d’algorithmes quantiques à plusieurs étapes dans des réseaux d’atomes de rubidium. Le rubidium est un atome alcalin qui a longtemps été un cheval de bataille de la physique atomique, en partie parce que son électron de valence unique lui donne une structure simple au niveau de l’énergie semblable à celle de l’hydrogène. Les processeurs quantiques à base de rubidium codent les qubits dans les états hyperfins des atomes, des niveaux d’énergie étroitement espacés résultant de l’interaction du spin des électrons de valence avec celui du noyau. Les qubits hyperfins ont des temps de cohérence plus longs que les qubits codés dans les transitions électroniques d’un atome, mais le spin électronique non apparié les rend toujours sensibles à la décohérence des champs magnétiques parasites et aux interactions résiduelles avec la lumière de la pince à épiler.

Ces sources de décohérence ont stimulé la recherche sur l’informatique quantique avec des réseaux de pincettes d’atomes alcalino-terreux, qui ont une structure de niveau d’énergie plus complexe en raison de leurs deux électrons de valence. Cette complexité supplémentaire s’accompagne de nouveaux défis techniques, mais aussi de nouvelles façons de coder et de manipuler les informations quantiques. C’est la progression naturelle du champ vers des atomes plus complexes à mesure que les techniques et la technologie laser ont mûri, dit Saffman.

Exploiter les alcalino-terreux

L’un des avantages des atomes alcalino-terreux est que leurs électrons de valence s’apparient dans l’état fondamental électronique, il n’y a donc pas d’interaction hyperfine. Au contraire, dans les atomes alcalino-terreux dont les noyaux ont un spin non nul, le spin nucléaire est isolé des perturbations environnementales qui se couplent naturellement aux spins des électrons. Les qubits codés dans les états de spin nucléaire des atomes alcalino-terreux devraient donc avoir des temps de cohérence beaucoup plus longs que les qubits hyperfins.

En mai, la startup Atom Computing, basée à Berkeley, a publié un article décrivant son processeur quantique de première génération, un réseau de pincettes dans lequel les qubits sont codés dans deux niveaux de spin nucléaire d’atomes de strontium-87. L’équipe d’Atom Computing a rapporté un temps de cohérence (noté J₂^*) plus de 20 secondes, plus de trois ordres de grandeur supérieurs aux valeurs typiques pour les qubits hyperfins alcalins.

Le même mois, des groupes dirigés par Jeff Thompson à l’Université de Princeton et Adam Kaufman à l’Université du Colorado à Boulder ont rapporté qu’ils avaient réussi à contrôler les qubits de spin nucléaire à longue durée de vie dans des réseaux d’atomes d’ytterbium-171. Notamment, ¹⁷¹Yb a une structure de spin nucléaire plus simple que tout autre isotope stable d’un atome de type alcalino-terreux. C’est un système naturel à deux niveaux, alors que ⁸⁷Srs 10 états de spin nucléaire distincts nécessitent des lasers supplémentaires pour distinguer deux niveaux pouvant coder un qubit.

La riche structure au niveau de l’énergie électronique des atomes de type alcalino-terreux peut s’avérer utile à l’informatique quantique d’autres manières. Si l’on compare chaque espèce atomique à un couteau suisse avec un ensemble spécifique d’outils, dit Thompson, alors les atomes alcalino-terreux sont des modèles de luxe avec des fonctionnalités supplémentaires. Nous avons trouvé des moyens d’utiliser d’autres gadgets sur ce couteau suisse que nous ne connaissions même pas lorsque nous l’avons acheté, dit-il, soulignant une technique pour améliorer la fidélité de l’enchevêtrement et un nouveau protocole de correction d’erreur quantique qui reposent tous deux sur un état métastable à vie longue caractéristique des atomes alcalino-terreux qui n’a pas d’équivalent dans les atomes alcalins.

L’état métastable distinctif doit sa longue durée de vie, généralement des dizaines de secondes et même plus dans certains atomes, au fait que la désintégration vers l’état fondamental ne peut se faire que via un processus d’ordre supérieur fortement supprimé. Un atome préparé dans une superposition de l’état métastable et de l’état fondamental va osciller longtemps à une fréquence égale à celle du photon émis lors d’une transition entre les deux états, dite transition d’horloge car elle fournit la référence de fréquence pour les meilleures horloges atomiques du monde.

Ces horloges appelées horloges optiques parce que la fréquence de transition d’horloge dans des atomes largement utilisés comme le strontium, l’ytterbium et l’aluminium se situent dans ou près de la partie visible du spectre électromagnétique appartiennent principalement à l’une des deux classes distinctes qui diffèrent principalement par la façon dont les atomes sont piégés. Les réseaux de pincettes développés pour les processeurs quantiques à atomes neutres sont apparus comme une troisième architecture d’horloge optique avec le potentiel de combiner certains des avantages des plates-formes plus matures.

Les deux architectures d’horloge optique dominantes ont des forces et des faiblesses complémentaires. Les horloges les plus précises utilisent des champs électriques pour piéger des ions d’aluminium uniques qui sont extrêmement bien isolés de leur environnement, mais elles nécessitent de longs temps de moyenne pour atteindre une haute précision. Les horloges les plus précises, appelées horloges à réseau optique, utilisent la lumière laser pour piéger les atomes de strontium neutres, mais à la place des faisceaux étroitement focalisés utilisés dans les réseaux de pincettes, elles utilisent des potentiels périodiques formés par l’interférence de deux faisceaux à contre-propagation pour piéger jusqu’à 100 000 atomes. . Ces grands ensembles permettent aux horloges de réseau d’accumuler rapidement de la précision, mais des effets systématiques tels que les interactions résiduelles entre les atomes piégés au même site de réseau limitent leur précision.

Les horloges optiques à réseau de pincettes peuvent aider les chercheurs à tirer le meilleur parti des deux mondes, avec un contrôle précis d’une seule particule comparable à celui des horloges ioniques et une voie plus claire vers la mise à l’échelle vers de grands ensembles. Kaufman, qui a développé les premières horloges à pinces en même temps que les travaux indépendants de Manuel Endres chez Caltech, a publié un article en 2020 décrivant une horloge à pinces de deuxième génération avec une précision approchant le record d’horloge à treillis à l’époque. À l’avenir, la précision de l’horloge de la pince à épiler pourrait être encore améliorée en utilisant des protocoles d’information quantique pour générer des états intriqués à plusieurs particules, ce que Kaufman appelle une direction frontière dans la science quantique.

Les progrès rapides de la science quantique avec les réseaux de pinces à atomes neutres au cours des cinq dernières années suggèrent que ces efforts pourraient apporter d’autres avantages inattendus. Cela me donne un nouvel optimisme quant à ce que nous pouvons faire dans la technologie quantique dans son ensemble, dit Thompson.