Les ordinateurs quantiques du futur pourraient fonctionner via les transitions énergétiques des atomes excités, ou même à partir de la lumière pure, si un domaine en croissance rapide de la physique atomique continue de rencontrer le succès, écrit Keith Cooper
Pour les physiciens à la recherche du saint graal de l’informatique quantique, une recette savoureuse est de plus en plus répandue., Saupoudrez d’une poignée d’atomes – rubidium est un ingrédient populaire dans une chambre à vide. Traiter avec des faisceaux laser pour refroidir les atomes à de simples fractions de degré au-dessus du zéro absolu. Ensuite, ajoutez quelques photons et hey presto-vous avez créé l’un des blocs de construction de base d’un ordinateur quantique.
Au moins, « c’est l’idée de base”, dit Mark Saffman, physicien atomique à l’Université du Wisconsin–Madison aux États-Unis. Au centre de tout cela, les atomes de Rydberg, qui ont un seul électron de valence externe qui peut être excité à des états quantiques plus élevés. Ce sont les grands papas du monde atomique., Typiquement, un noyau atomique est femtomètres en taille, mais dans un atome de Rydberg l’électron de valence excité peut voyager microns du noyau tout en restant lié à lui, gonflant le rayon atomique un milliard de fois en taille. Avec une telle portée, un atome de Rydberg peut interagir avec d’autres atomes proches via un puissant moment dipolaire électrique un million de fois mieux que les atomes « ordinaires”. C’est cette puissance interactive – et la capacité de la contrôler avec un seul photon soigneusement choisi – qui fait des atomes de Rydberg une force si puissante dans le monde des systèmes d’information quantiques.,
Technologie de passerelle
Au cœur de tout ordinateur – numérique ou quantique – se trouvent les portes logiques. Un ordinateur quantique fonctionne à l’échelle atomique, où règne la mécanique quantique, ce qui signifie que les portes logiques doivent également être construites à partir d’atomes. Une porte NOT, par exemple, a une seule entrée et deux états, 0 et 1, mais pour que la porte fonctionne, il faut que les atomes interagissent non seulement, mais que l’interaction soit contrôlée. La force dipolaire électrique des atomes de Rydberg et notre capacité à contrôler leur excitation les rendent parfaits pour les portes logiques quantiques.,
En 2010, Saffman et ses collègues du Wisconsin ont démontré la capacité de construire des portes logiques à l’aide de deux atomes de rubidium neutres, en complément des travaux menés par une équipe dirigée par Philippe Grangier à l’Institut d’Optique près de Paris. La version quantique d’une porte NOT est la porte contrôlée-NOT, ou CNOT, dans laquelle les atomes de rubidium eux – mêmes sont les bits quantiques – ou « qubits” – de l’information. L’un est étiqueté « contrôle”et l’autre « cible »., Dans leur état fondamental, qui arbore divers états hyperfins qui contiennent l’information quantique, les atomes n’interagissent pas – les quatre microns qui les séparent pourraient aussi bien être une infinité. Cependant, en excitant l’atome de contrôle dans l’état de Rydberg en tirant un photon résonnant qui est absorbé, l’électron de valence s’élève à un niveau d’énergie plus élevé, étendant suffisamment sa portée pour permettre une interaction avec l’atome cible, le « retournant” et permettant à la porte CNOT de fonctionner., « En utilisant le laser pour exciter l’atome de contrôle, nous pouvons activer l’interaction et effectuer notre porte logique, avant de ramener les atomes à l’état fondamental”, explique Saffman.
Des expériences précédentes avaient utilisé des ions pour créer des portes CNOT, mais le problème avec les ions est que, étant chargés, il n’y a pas de moyen facile de désactiver leurs interactions, ce qui limite le nombre de qubits pouvant être combinés en un qubit stable. Les atomes neutres de Rydberg, cependant, ne sont pas confrontés à ce problème. Cela ne veut pas dire que les atomes de Rydberg sont un nouveau développement – ils sont connus depuis la fin des années 1800., Ce qui a vraiment stimulé le développement de la physique de Rydberg a été l’avènement du piégeage et du refroidissement par laser, pour lesquels Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji et William Phillips ont partagé le prix Nobel de physique en 1997. C’est cette capacité des physiciens à retenir et à manipuler des atomes individuels à l’aide de la lumière qui a ouvert la voie à l’utilisation des atomes de Rydberg dans de nouvelles applications exotiques.
Décalés de façon spectaculaire
Les lasers peuvent être utilisés pour créer un « piège dipolaire optique” qui peut contenir et refroidir les atomes jusqu’à un simple microkelvin au-dessus du zéro absolu, voire jusqu’à nanokelvin dans certains cas., En croisant les lasers, cette méthode peut être étendue en un réseau optique 2D ou 3D. Les lasers sont accordés à une couleur distincte de la fréquence de résonance de l’atome, pour éviter que les atomes n’absorbent l’un des photons (ce qui leur donnerait de l’énergie pour sauter hors du piège). À ce stade, un phénomène connu sous le nom d’effet Stark entre en jeu, qui est le changement des niveaux d’énergie d’un atome en réponse à un champ électrique de courant alternatif, comme dans celui produit par une onde électromagnétique. Pour les atomes à l’état fondamental, les niveaux d’énergie sont décalés vers une énergie légèrement inférieure., La partie la plus intense des faisceaux laser, où ils se croisent dans le réseau, devient alors un puits de potentiel dans lequel les atomes sont piégés, car c’est ici qu’ils subissent le plus grand décalage et perdent le plus d’énergie (figure 1).
Une fois piégés, les atomes peuvent alors être excités à l’état de Rydberg en leur lançant un photon de fréquence de résonance. Le problème est que l’énergie du photon résonnant peut secouer l’atome hors du piège, et donc la recherche a été lancée pour des « longueurs d’onde magiques” qui peuvent à la fois piéger et exciter un atome en même temps., En 2015, s’appuyant sur près d’une décennie de travaux de physiciens atomiques, un groupe dirigé par le physicien Trey Porto au Joint Quantum Institute de l’Université du Maryland, aux États-Unis, a trouvé une fréquence magique pour les atomes de rubidium qui les emprisonne simultanément dans deux états quantiques différents, dont les nombres quantiques principaux n = 5 et n = 18 (Phys. Rév. 91 032518). En d’autres termes, ils peuvent être excités à un état de Rydberg de 18s, où l’électron excité est dans l’orbitale 18s, tout en restant dans le piège. Cette longueur d’onde magique correspond à une longueur d’onde infrarouge d’environ 1064 nm., Par un simple coup de chance, c’est la longueur d’onde produite par un laser Nd:YAG, que la plupart des physiciens utilisent de toute façon car il fournit une partie de la puissance laser la moins chère disponible. C’est particulièrement important lorsque vous voulez beaucoup de puissance sans mettre en faillite votre département de physique.
« Vraiment, nous avons été sournois et avons choisi une couleur de lumière qui piège à la fois l’état de Rydberg qui nous intéresse et l’état fondamental”, explique la physicienne Elizabeth Goldschmidt, qui était l’un des membres de l’équipe de Porto et est maintenant basée au Laboratoire de recherche de l’Armée américaine dans le Maryland.,
Bien que l’équipe de Porto ait excité le rubidium jusqu’à 18 ans, ce n’était qu’un début. Pour obtenir des nombres quantiques plus élevés – ce qui se traduit par des interactions plus fortes sur de plus grandes distances entre les atomes et prolonge la durée de vie passée à l’état excité – vous avez besoin de longueurs d’onde magiques de plus en plus courtes. Les lasers qui émettent ces longueurs d’onde plus courtes ne sont pas aussi largement disponibles que les lasers 1064 nm et, aux fréquences les plus élevées, ils peuvent devenir prohibitifs. Néanmoins, les longueurs d’onde magiques sont une énorme avancée pour les physiciens tels que Saffman., ” Il piège les atomes individuels et les fait interagir dans les portes, il se soucie donc davantage de trouver leurs longueurs d’onde magiques », explique Goldschmidt.
Jusqu’à présent tout va bien, mais les longueurs d’onde magiques et l’excitation de Rydberg ne suffisent pas à elles seules pour fabriquer un ordinateur quantique. Ce qui manque, c’est l’aspect quantique qui permet à un qubit d’exister dans de nombreux états à la fois, par opposition aux bits binaires qui ne peuvent être que dans l’un des deux états. Dans la physique de Rydberg, cet aspect quantique est fourni par l’enchevêtrement.,
« L’enchevêtrement est le bit qui vous donne quelque chose de plus que ce que vous pouvez faire avec un ordinateur classique”, explique Charles Adams, physicien au Joint Quantum Centre de l’Université de Durham au Royaume-Uni. L’enchevêtrement est produit par l’interaction des atomes de Rydberg avec d’autres atomes non excités autour d’eux. En substance, la porte CNOT de Saffman est une machine d’enchevêtrement et l’efficacité de la porte dépend de la « fidélité” de l’enchevêtrement, qui est définie comme la quantité de calculs réussis que la porte logique enchevêtrée réalise par rapport au nombre total de tentatives.,
Exécuter le blocus
Lorsque les atomes sont les qubits, le rôle du photon est simplement d’exciter les atomes dans leurs états de Rydberg. Cependant, Adams, entre autres, a couru après un prix légèrement différent: un ordinateur quantique fait de lumière.
Dans un tel dispositif, plutôt que les atomes les qubits, les photons serait le qubits à la place. Immédiatement, il y a un potentiel showstopper. Les photons, étant des particules sans masse, n’interagissent pas les uns avec les autres et ne peuvent donc généralement pas créer de portes logiques., Exposez-les aux atomes de Rydberg, cependant, et le jeu change, permettant aux physiciens de créer des états photoniques exotiques et même des « molécules” de lumière.
Tout cela est possible grâce à la nature cliqueuse des atomes de Rydberg. Rassemblez un tas d’atomes de rubidium (ou strontium, césium, sodium ou quel que soit votre atome neutre préféré), refroidissez-les et envoyez un photon. L’un des atomes est excité à l’état de Rydberg et interagit avec les autres atomes qui l’entourent, déplaçant leurs niveaux d’énergie., Ainsi, lorsqu’un deuxième photon identique est envoyé dans cet « ensemble de Rydberg », il constate qu’il est soudainement en décalage avec leur fréquence de résonance et ne peut pas les exciter. En substance, les atomes de Rydberg ont mis un” blocus » sur la création d’autres atomes de Rydberg à partir d’un deuxième photon dans un volume peut-être de 10 µm de diamètre.
Pour le deuxième photon, cependant, c’est une bonne nouvelle., « Cela signifie que le deuxième photon voit une réponse optique différente au milieu-effectivement, il peut voir un indice de réfraction différent-de sorte que le comportement du milieu au deuxième photon est très différent du premier”, explique Adams. Tant que les deux photons sont de même fréquence, le nuage de rubidium devient transparent au second photon, un effet appelé « transparence électromagnétique induite”., Habituellement, le deuxième photon courrait devant, mais l’indice de réfraction du nuage de rubidium est modifié de telle sorte que le second photon reste proche de l’ensemble de Rydberg excité par le premier photon.
Comme les atomes excités par le premier photon retour à l’état fondamental après quelques microsecondes, alors non seulement le premier photon poursuivre son chemin, mais le deuxième photon est également libre de former son propre ensemble de Rydberg, mettre un blocus sur le premier photon., De cette façon, les deux photons se poussent et se tirent à travers le nuage de rubidium à environ 400 m / s, jusqu’à ce qu’ils émergent ensemble, enchevêtrés quantiques et apparemment liés comme une molécule.
Dans cette situation, les photons et les atomes de Rydberg deviennent fortement couplés, explique Mikhail Lukin de l’Université Harvard, aux États-Unis., Il a co-créé la technique du blocus dans les atomes froids en 2001 avec ses collègues Robin Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac et Peter Zoller, et a également été le premier à utiliser des blocus pour créer ces molécules de lumière améliorées par Rydberg en 2012 avec Vladan Vuletić du Massachusetts Institute of Technology, aux États-Unis.
« Le couplage signifie qu’ils forment essentiellement une nouvelle quasi-particule appelée polariton, qui est une partie de la lumière et une partie des atomes”, explique Lukin., La moitié atomique du polariton agit comme un frein pour les photons, donc plus l’excitation atomique est grande, plus la vitesse de propagation des photons à travers le rubidium est lente. Lukin et Vuletić travaillent maintenant à répéter l’expérience avec plus de deux photons.
Ces interactions photon–photon sont fondamentalement différentes de la façon dont la lumière agit normalement et elles ouvrent la porte à l’utilisation de photons enchevêtrés comme circuits d’ordinateurs quantiques. Mais les portes logiques atomiques ne sont pas encore hors de l’image, dit Goldschmidt., Elle pense que les portes logiques optiques des photons en interaction seraient mieux appliquées aux simulations quantiques plutôt qu’à l’informatique quantique en soi.
Un simulateur quantique, comme son nom l’indique, simule des systèmes complexes plutôt que de les calculer. En substance, il s’agit d’une version quantique d’une simulation informatisée à plusieurs corps et serait conçu pour résoudre des problèmes spécifiques., « Dans une simulation quantique, vous avez des interactions entre les nombreux corps de votre système quantique et vous pouvez ainsi simuler un autre système quantique à plusieurs corps sans essayer d’implémenter du code avec des portes spécifiques”, explique Goldschmidt.
Appareils de bureau
Les chercheurs travaillant sur la physique de Rydberg ont un objectif principal, que les atomes de Rydberg eux-mêmes soient les circuits des systèmes d’information quantiques, ou que les photons facilités par les atomes de Rydberg jouent ce rôle., Leur objectif est de pousser à une manipulation plus fidèle de ces portes logiques pour augmenter la qualité de leur sortie et fournir des corrections d’erreurs internes. La meilleure voie à suivre, envisage Lukin, est un système hybride, dans lequel les atomes de Rydberg et les interactions de photons sont tous deux impliqués dans le traitement de l’information.
« Ce qui est intéressant dans notre approche, c’est qu’elle nous permet d’utiliser le meilleur des deux mondes”, dit-il. « Pour l’informatique, vous voudrez peut-être stocker des qubits en utilisant des atomes, mais pour communiquer entre les qubits stockés, vous aimeriez en fait utiliser des photons., »
Adams va encore plus loin, spéculant sur la façon dont les ordinateurs quantiques et les simulateurs pourraient un jour devenir des machines de bureau, non pas en refroidissant leurs atomes à des températures incroyablement glaciales, ce qui implique de gros appareils et beaucoup de puissance, mais en fonctionnant à température ambiante. Adams et ses collègues de Durham ont mené des expériences avec des atomes de Rydberg dans des vapeurs « chaudes » jusqu’à 50 °C, mais le problème est le mouvement brownien qui s’ensuit dans les atomes chauds et énergétiques., Puisque les photons sont stockés dans le milieu sous forme d’onde, ce mouvement détruit les informations de phase, ce qui signifie que le qubit photonique ne peut pas être récupéré. Pourtant, si cela et d’autres défis peuvent être surmontés, alors Adams suggère qu’il peut être possible de construire un ordinateur quantique dans lequel les photons stockés dans des bulles virtuelles imposées par le processus de blocus de Rydberg médient une interaction qui forme une porte optique. « Mais nous sommes encore loin de savoir comment faire ce type de circuit entièrement optique intégré », dit-il.
Rydberg physics n’est pas le seul jeu en ville en ce qui concerne les ordinateurs quantiques., Les ions piégés, les supraconducteurs, les diamants et les condensats de Bose–Einstein entre autres sont des concurrents pour la couronne quantique. Mais les atomes de Rydberg ont aussi d’autres utilisations. Par exemple, en choisissant un ensemble de Rydberg à une fréquence de résonance spécifique – disons térahertz, ou micro – ondes-il pourrait agir comme un capteur sophistiqué, produisant une sortie optique lorsqu’il capte ces champs., Les interactions photon-photon forcées par les blocus de Rydberg pourraient même conduire à des états de lumière exotiques considérés comme cristallins ou liquides, où les interactions maintiennent les photons ensemble dans quelque chose qui pourrait ressembler à un sabre laser.
« La physique de Rydberg a pris de l’ampleur au cours de la dernière décennie”, explique Adams. « Il y a des groupes presque partout qui font maintenant certains aspects de cela.” C’est remarquable ce que la physique de Rydberg pourrait accomplir, étant donné que les ingrédients sont parmi les choses les plus simples de l’univers: les atomes et les photons.,
- Journal of Physics B, de IOP Publishing – qui publie également Physics World – publie actuellement un numéro focus sur « Rydberg atomic physics”
- Profitez du reste du numéro d’avril 2016 de Physics World dans notre magazine numérique ou via l’application Physics World pour tout smartphone ou tablette iOS ou Android. L’adhésion à l’Institut de Physique obligatoire