Utiliser le pouvoir de la symétrie pour les nouvelles technologies quantiques

En tirant parti de la symétrie inhérente à la nature, des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers en Suède ont trouvé un moyen de contrôler et de communiquer avec l’état sombre des atomes. Cette découverte ouvre une autre porte vers la construction de réseaux informatiques quantiques et de capteurs quantiques pour détecter la matière noire insaisissable dans l’univers.

« La nature aime les symétries et nous aussi. La base de nos expériences est une astuce d’ingénierie innovante où nous contrôlons et utilisons les symétries disponibles dans un système qui, autrement, est très difficile à apprivoiser », déclare le Dr Aamir Ali, chercheur en quantique. technologie et auteur principal de l’étude.

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de surpasser largement les ordinateurs les plus avancés d’aujourd’hui. Un ordinateur quantique est basé sur des bits dits quantiques, ou qubits, qui ont la capacité d’être en superposition de ses états possibles, 0 et 1, en même temps. Ce phénomène permet aux ordinateurs quantiques de gérer une grande quantité de données. Les superpositions sont cependant extrêmement fragiles, ce qui signifie qu’elles doivent être protégées des perturbations extérieures pour éviter qu’elles ne s’effondrent.

Construire un ordinateur quantique à grande échelle présente donc un défi majeur, car avec un nombre croissant de qubits, le système collectif devient de plus en plus fragile. Pour cette raison, un domaine de recherche clé est le développement de grands réseaux quantiques où les tâches informatiques sont traitées et distribuées sur différents nœuds du réseau.

Une façon intéressante de réaliser de tels réseaux consiste à utiliser des atomes artificiels comme qubits. Les atomes interagissent naturellement avec la lumière, en absorbant ou en émettant des photons. Cependant, des ensembles de deux atomes ou plus peuvent exister dans des états de superposition particuliers, appelés états sombres, dans lesquels ils sont complètement transparents à la lumière, c’est-à-dire qu’ils ne l’émettent ni ne l’absorbent. Ces états sombres ont un grand potentiel dans la technologie quantique car ils sont immunisés contre les influences et les perturbations externes. Pour la même raison, contrôler les états sombres et les utiliser pour échanger des informations est une tâche difficile.

À l’écoute des minuscules symétries des atomes

Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université de technologie de Chalmers ont mis au point une méthode simple et de haute précision pour contrôler les états sombres d’une molécule composée de deux atomes artificiels interconnectés. L’étude a été publiée dans Lettres d’examen physique.

Des ailes de papillon et des flocons de neige aux composants les plus minuscules de notre monde physique, la nature recherche la symétrie pour créer l’équilibre et l’harmonie. Ceci est également vrai des niveaux d’énergie dans un atome. Les qubits utilisés par Aamir Ali et ses collègues sont constitués de deux atomes artificiels couplés constitués de circuits supraconducteurs. Lorsque des particules lumineuses – des photons – sont envoyées dans les atomes à travers un guide d’ondes, elles peuvent interagir avec les niveaux d’énergie de deux symétries disponibles différentes.

Dans des recherches antérieures, un seul guide d’ondes a été couplé au qubit avec un accès limité à ses symétries, mais les chercheurs de Chalmers ont plutôt utilisé deux guides d’ondes, chacun couplé séparément à l’un des états symétriques. En raison de la répartition symétrique de l’énergie dans les atomes artificiels, l’un des guides d’ondes sera couplé à un état sombre et l’autre à son état lumineux complémentaire. Cela les rend réceptifs à être manipulés et contrôlés indépendamment les uns des autres.

Nouvelles applications dans les technologies quantiques

Cette capacité à contrôler les états sombres présente une nouvelle approche des applications dans les technologies quantiques. En utilisant l’ingénierie des chercheurs de Chalmers, il est possible de créer un enchevêtrement quantique entre l’état sombre et l’état lumineux, ce qui ouvre de nouvelles façons de traiter l’information quantique et de la transmettre dans un réseau quantique. De plus, cela permet également le développement de capteurs capables d’absorber des photons micro-ondes de faible énergie.

Un détecteur de photons dans ce domaine pourrait contribuer à la détection de la matière noire dans l’univers. Les chercheurs vont également utiliser ces nouveaux résultats en thermodynamique pour voir si les lois de la mécanique quantique peuvent être utilisées pour obtenir des avantages dans les moteurs ou les batteries.

« Nous pouvons concevoir des molécules synthétiques avec des symétries uniques, ce qui conduit à de nouvelles façons pour ces molécules d’interagir avec la lumière micro-onde. Le concept que nous avons démontré est à la fois élégant et puissant, avec des applications allant de l’informatique quantique distribuée à la photodétection micro-onde », déclare Simone Gasparinetti, responsable de la recherche en physique quantique expérimentale et l’un des principaux auteurs de l’étude.

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’un des principaux objectifs de WACQT est de construire un ordinateur quantique. Mais il y a plus que cela. Nous avons créé un environnement qui encourage les chercheurs à explorer des chemins moins empruntés tout en bénéficiant d’une infrastructure et d’une expertise dans les technologies quantiques, et ce travail en est un exemple », déclare Simone Gasparinetti.

Comment ça fonctionne

Les atomes artificiels sont constitués de circuits électroniques qui, tout comme les atomes réels, ne peuvent occuper qu’un ensemble de certains niveaux d’énergie, discrets. Lorsqu’ils sont couplés aux deux guides d’ondes, ils créent une structure partagée qui utilise l’interférence quantique pour connecter les guides d’ondes à deux symétries différentes que les niveaux d’énergie des atomes peuvent assumer.

Grâce à ce couplage aux symétries, il est facile de sélectionner et de concevoir simplement les transitions énergétiques. Cela peut être fait beaucoup plus facilement et efficacement qu’il n’a été démontré auparavant, sans avoir besoin d’employer un contrôle de phase et d’impulsion sophistiqué, ce qui est typique dans l’architecture standard.