Les atomes neutres ultra-froids: une solution pour la construction de systèmes quantiques
La course à la technologie quantique bat son plein. En octobre, l’UE a lancé son programme de soutien aux technologies quantiques et mis un milliard d’euros de financements à disposition de cette initiative qui concernera plus de 5 000 chercheurs sur les dix années à venir. Alors que nous écrivions ces lignes, le Congrès américain, de son côté, venait de riposter en ouvrant à son tour une ligne de financement de 1,2 milliards de dollars pour ces technologies. Or, même si les premiers prototypes d’ordinateurs quantiques existent déjà, il reste encore bien des obstacles à surmonter, y compris dans le domaine de la recherche fondamentale. L’amélioration de la précision dans la manipulation et les interactions des qubits individuels est un de ces enjeux. Le projet QuantuM-nano s’est fixé pour objectif de résoudre ce problème en mettant l’accent sur les atomes neutres ultra-froids, prenant ainsi ses distances vis-à-vis de l’approche la plus commune de l’informatique quantique qui utilise des circuits super-conducteurs. «Les atomes neutres ultra-froids présentent plusieurs propriétés intéressantes. Par exemple, tous les atomes d’une espèce donnée sont intrinsèquement identiques, ce qui constitue un atout important lorsque vous les utilisez en tant que qubits», explique le professeur Jakob Reichel du Laboratoire Kastler Brossel à Paris, coordinateur du projet. «Les atomes neutres peuvent également être très bien isolés du monde extérieur: ils sont typiquement piégés par les champs électromagnétiques dans les chambres à vide, ce qui contribue à préserver leur comportement quantique. Ils sont aussi relativement faciles à manipuler grâce aux progrès impressionnants accomplis au cours des dernières décennies dans les domaines de la physique atomique et de la technologie laser. Enfin, leur absence de charge électrique s’avère avantageuse lorsque vous essayez de faire passer le système à l’échelle supérieure en piégeant de nombreux atomes dans un petit volume.» Bien que la valeur des atomes ultra-froids pour les simulations quantiques ait déjà été analysée et soit reconnue, QuantuM-nano se démarque par sa nouvelle approche qui consiste à construire des chaines de qubits atomiques. Chaque qubit atomique est confiné dans un piège optique individuel tandis que les sites de capture vides sont éliminés. Il est ainsi possible d’obtenir des chaines dépourvues à 100 % de défauts. Cela permet ensuite d’aligner les atomes dans un ordre parfaitement régulier. «À partir de là, nous avons commencé à étudier deux méthodes pour faire interagir les qubits: les interactions dipolaires et les échanges cohérents de photons dans une cavité», explique le Dr Sylvain Schwartz, désormais rattaché au Laboratoire Kastler Brossel après avoir travaillé à Harvard pendant deux ans dans le cadre du projet. Les avancées du projet ont permis la création d’un grand simulateur quantique programmable prenant en compte jusqu’à 51 atomes, offrant selon le Dr Schwartz qualifie un niveau de contrôle jamais encore atteint. «Grâce à cette plateforme, nous avons pu analyser le diagramme de phase d’un Ising Hamiltonien; étudier la dynamique de plusieurs transitions de phases quantiques; et préparer des états intriqués à deux atomes sur la base des interactions de Rydberg avec la plus grande fidélité constatée jusqu’ici, soit plus de 97 %», déclare-t-il. À l’avenir, le professeur Reichel espère que ces plateformes seront utilisées pour la mise en œuvre d’algorithmes d’optimisation quantique, en vertu desquels un problème complexe sur un ordinateur classique est codé dans un système quantique de sorte que le système évolue naturellement vers la solution désirée, même s’il y a encore beaucoup de travail pour y parvenir. «Combinés avec des cavités optiques, ces systèmes pourraient également servir pour la création d’états quantiques utiles d’un point de vue métrologique, qui repousseraient les limites des horloges atomiques à la pointe de la technologie, ce qui à son tour trouverait des applications en géodésie ou pour tester certaines lois de physique fondamentale qui ne sont pas encore totalement démontrées», explique-t-il. Le consortium a désormais pour objectif d’étendre ses recherches à des atomes monovalents avec une structure relativement simple comme le rubidium ainsi qu’à des atomes divalents comme le strontium, ces atomes étant susceptibles d’être utilisés dans les horloges atomiques de demain.
Mots‑clés
QuantuM-nano, systèmes quantiques, qubits atomiques, atomes ultra-froids, atomes neutres