Une nouvelle technique pourrait rendre possible le réseautage quantique

Le nouveau système repose sur des spins nucléaires – le moment cinétique du noyau d’un atome – oscillant collectivement comme une onde de spin. Cette oscillation collective enchaîne efficacement plusieurs atomes pour stocker des informations.

Les travaux, qui sont décrits dans un article publié le 16 février dans la revue Nature, utilise un bit quantique (ou qubit) fabriqué à partir d’un ion d’ytterbium (Yb), un élément de terre rare également utilisé dans les lasers. L’équipe, dirigée par Andrei Faraon (BS ’04), professeur de physique appliquée et de génie électrique, a intégré l’ion dans un cristal transparent d’orthovanadate d’yttrium (YVO4) et manipulé ses états quantiques via une combinaison de champs optiques et micro-ondes. L’équipe a ensuite utilisé le qubit Yb pour contrôler les états de spin nucléaire de plusieurs atomes de vanadium environnants dans le cristal.

“Sur la base de nos travaux précédents, les ions ytterbium simples étaient connus pour être d’excellents candidats pour les réseaux quantiques optiques, mais nous devions les lier avec des atomes supplémentaires. Nous démontrons que dans ce travail”, déclare Faraon, co-auteur correspondant du Nature papier.

L’appareil a été fabriqué au Kavli Nanoscience Institute de Caltech, puis testé à très basse température dans le laboratoire de Faraon.

Une nouvelle technique pour utiliser les spins nucléaires intriqués comme mémoire quantique a été inspirée par les méthodes utilisées en résonance magnétique nucléaire (RMN).

“Pour stocker des informations quantiques dans les spins nucléaires, nous avons développé de nouvelles techniques similaires à celles utilisées dans les machines RMN utilisées dans les hôpitaux”, explique Joonhee Choi, stagiaire postdoctoral à Caltech et co-auteur correspondant de l’article. “Le principal défi était d’adapter les techniques existantes pour travailler en l’absence de champ magnétique.”

Une caractéristique unique de ce système est le placement prédéterminé d’atomes de vanadium autour du qubit d’ytterbium, comme prescrit par le réseau cristallin. Chaque qubit mesuré par l’équipe avait un registre de mémoire identique, ce qui signifie qu’il stockerait les mêmes informations.

“La capacité de construire une technologie de manière reproductible et fiable est la clé de son succès”, déclare l’étudiant diplômé Andrei Ruskuc, premier auteur de l’article. “Dans le contexte scientifique, cela nous a permis d’acquérir un aperçu sans précédent des interactions microscopiques entre les qubits d’ytterbium et les atomes de vanadium dans leur environnement.”

Cette recherche fait partie d’un effort plus large du laboratoire de Faraon pour jeter les bases des futurs réseaux quantiques.

Les réseaux quantiques connecteraient des ordinateurs quantiques via un système qui fonctionne à un niveau quantique plutôt que classique. En théorie, les ordinateurs quantiques seront un jour capables d’effectuer certaines fonctions plus rapidement que les ordinateurs classiques en tirant parti des propriétés particulières de la mécanique quantique, notamment la superposition, qui permet aux bits quantiques de stocker des informations sous la forme a 1 et a 0 simultanément.

Comme ils le peuvent avec les ordinateurs classiques, les ingénieurs aimeraient pouvoir connecter plusieurs ordinateurs quantiques pour partager des données et travailler ensemble, créant ainsi un “Internet quantique”. Cela ouvrirait la porte à plusieurs applications, notamment la capacité de résoudre des calculs trop volumineux pour être traités par un seul ordinateur quantique, ainsi que l’établissement de communications sécurisées de manière incassable à l’aide de la cryptographie quantique.

L’article s’intitule “Nuclear spin-wave quantum register for a solid-state qubit”. Les co-auteurs incluent les étudiants diplômés Chun-Ju Wu et Jake Rochman (MS ’19). Cette recherche a été financée par l’Institute of Quantum Information and Matter (IQIM), un National Science Foundation Physics Frontiers Center, avec le soutien de la Gordon and Betty Moore Foundation, l’Office of Naval Research, l’Air Force Office of Scientific Research, Northrop Grumman , General Atomics et la Fondation Weston Havens.

Source de l’histoire :

Matériaux fourni par Institut de technologie de Californie. Original écrit par Robert Perkins. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.