La technologie quantique atteint un contrôle sans précédent sur la lumière capturée


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  • Des chercheurs en technologie quantique de la Chalmers University of Technology ont réussi à développer une technique pour contrôler les états quantiques de la lumière dans une cavité tridimensionnelle. En plus de créer des états précédemment connus, les chercheurs sont les premiers à démontrer l’état de phase cubique longtemps recherché. Cette percée est une étape importante vers une correction d’erreur efficace dans les ordinateurs quantiques.

    « Nous avons montré que notre technologie est à égalité avec les meilleures au monde », déclare Simone Gasparinetti, qui dirige un groupe de recherche en physique quantique expérimentale à Chalmers et l’un des principaux auteurs de l’étude.

    Tout comme un ordinateur classique est basé sur des bits pouvant prendre la valeur 0 ou 1, la méthode la plus courante de construction d’un ordinateur quantique utilise une approche similaire. Les systèmes de mécanique quantique avec deux états quantiques différents, appelés bits quantiques (qubits), sont utilisés comme blocs de construction. L’un des états quantiques se voit attribuer la valeur 0 et l’autre la valeur 1. Cependant, en raison de l’état mécanique quantique de superposition, les qubits peuvent prendre les deux états 0 et 1 simultanément, permettant à un ordinateur quantique de traiter d’énormes volumes de données avec la possibilité de résoudre des problèmes bien au-delà de la portée des supercalculateurs d’aujourd’hui.

    Première fois pour l’état de phase cubique

    Un obstacle majeur à la réalisation d’un ordinateur quantique pratiquement utile est que les systèmes quantiques utilisés pour coder les informations sont sujets au bruit et aux interférences, ce qui provoque des erreurs. La correction de ces erreurs est un défi majeur dans le développement des ordinateurs quantiques. Une approche prometteuse consiste à remplacer les qubits par des résonateurs – des systèmes quantiques qui, au lieu d’avoir seulement deux états définis, en ont un très grand nombre. Ces états peuvent être comparés à une corde de guitare, qui peut vibrer de différentes manières. La méthode s’appelle calcul quantique à variable continue et permet de coder les valeurs 1 et 0 dans plusieurs états mécaniques quantiques d’un résonateur. Cependant, contrôler les états d’un résonateur est un défi auquel sont confrontés les chercheurs quantiques du monde entier. Et les résultats de Chalmers fournissent un moyen de le faire. La technique développée à Chalmers permet aux chercheurs de générer pratiquement tous les états quantiques de la lumière précédemment démontrés, comme par exemple le chat de Schrödinger ou les états de Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP), et les état de phase cubique, un état précédemment décrit seulement en théorie.

    « L’état de phase cubique est quelque chose que de nombreux chercheurs quantiques essaient de créer en pratique depuis vingt ans. Le fait que nous ayons réussi à le faire pour la première fois est une démonstration du bon fonctionnement de notre technique, mais le plus important avance, c’est qu’il y a tellement d’états de complexité variable et nous avons trouvé une technique qui peut créer n’importe lequel d’entre eux », explique Marina Kudra, doctorante au Département de microtechnologie et de nanosciences et auteure principale de l’étude.

    Amélioration de la vitesse de la porte

    Le résonateur est une cavité supraconductrice tridimensionnelle en aluminium. Des superpositions complexes de photons piégés à l’intérieur du résonateur sont générées par interaction avec un circuit supraconducteur secondaire.

    Les propriétés mécaniques quantiques des photons sont contrôlées en appliquant un ensemble d’impulsions électromagnétiques appelées portes. Les chercheurs ont d’abord réussi à utiliser un algorithme pour optimiser une séquence spécifique de portes de déplacement simples et de portes SNAP complexes pour générer l’état des photons. Lorsque les grilles complexes se sont avérées trop longues, les chercheurs ont trouvé un moyen de les raccourcir en utilisant des méthodes de contrôle optimales pour optimiser les impulsions électromagnétiques.

    « L’amélioration drastique de la vitesse de nos portes SNAP nous a permis d’atténuer les effets de la décohérence dans notre contrôleur quantique, faisant progresser cette technologie. Nous avons montré que nous maîtrisions totalement notre système de mécanique quantique », déclare Simone Gasparinetti.

    Ou, pour le dire plus poétiquement :

    « J’ai capturé la lumière dans un endroit où elle s’épanouit et je l’ai façonnée dans de très belles formes », explique Marina Kudra.

    L’obtention de ce résultat dépendait également de la haute qualité du système physique (le résonateur en aluminium lui-même et le circuit supraconducteur.) Marina Kudra a déjà montré comment la cavité en aluminium est créée en la fraisant d’abord, puis en la rendant extrêmement propre par des méthodes telles que le chauffer à 500 degrés centigrades et le laver avec de l’acide et du solvant. L’électronique qui applique les portes électromagnétiques à la cavité a été développée en collaboration avec la société suédoise Intermodulation Products.

    Recherche dans le cadre du programme de recherche WACQT

    La recherche a été menée à Chalmers dans le cadre du Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT), un programme de recherche complet dont l’objectif est de faire de la recherche et de l’industrie suédoises des leaders de la technologie quantique. L’initiative est dirigée par le professeur Per Delsing et un objectif principal est de développer un ordinateur quantique.

    « Chez Chalmers, nous avons la pile complète pour construire un ordinateur quantique, de la théorie à l’expérience, le tout sous un même toit. Résoudre le défi de la correction d’erreurs est un goulot d’étranglement majeur dans le développement d’ordinateurs quantiques à grande échelle, et nos résultats sont la preuve pour notre culture et nos méthodes de travail », déclare Per Delsing.

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