Rendu artistique du dispositif expérimental avec le faisceau de photons optiques (rouge) entrant et sortant du cristal électro-optique et résonnant dans sa partie circulaire, ainsi que les photons micro-ondes générés (bleu) quittant le dispositif. Crédit : Eli Krantz, Krantz NanoArt
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Pour la première fois, les chercheurs de l’ISTA ont mélangé des photons micro-ondes et des photons optiques.
L’informatique quantique offre la possibilité de résoudre des problèmes complexes dans des domaines tels que la science des matériaux et la cryptographie, problèmes qui resteront hors de portée même des superordinateurs conventionnels les plus puissants à l’avenir. Toutefois, pour réaliser cet exploit, il faudra probablement des millions de qubits de haute qualité, compte tenu de la correction d’erreur nécessaire.
Les progrès dans le domaine des processeurs supraconducteurs sont rapides, le nombre de qubits étant actuellement de l’ordre de quelques centaines. L’attrait de cette technologie réside dans sa rapidité de calcul et sa compatibilité avec la fabrication des micropuces. Cependant, l’exigence de températures extrêmement basses limite la taille du processeur et empêche tout accès physique une fois qu’il est refroidi.
Un ordinateur quantique modulaire avec plusieurs nœuds de processeurs refroidis séparément pourrait résoudre ce problème. Cependant, les photons micro-ondes simples – les particules de lumière qui sont les porteurs d’information natifs entre les qubits supraconducteurs au sein des processeurs – ne sont pas adaptés pour être envoyés à travers un environnement à température ambiante entre les processeurs. Le monde à température ambiante est rempli de chaleur, ce qui perturbe facilement les photons micro-ondes et leurs fragiles propriétés quantiques telles que l’enchevêtrement.
Des chercheurs du groupe Fink de l’Institute of Science and Technology Austria (ISTA), ainsi que des collaborateurs de l’Université technique de Vienne et de l’Université technique de Munich, ont franchi une étape technologique importante pour surmonter ces difficultés. Pour la première fois, ils ont mélangé des micro-ondes de faible énergie avec des photons optiques de haute énergie.
Un tel état quantique intriqué de deux photons est la base pour connecter des ordinateurs quantiques supraconducteurs via des liens à température ambiante. Cela a des implications non seulement pour la mise à l’échelle du matériel quantique existant, mais aussi pour la réalisation d’interconnexions avec d’autres plateformes d’informatique quantique ainsi que pour de nouvelles applications de télédétection améliorées par le quantique. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Science.
Les Qubits sont les unités d’information de base des ordinateurs quantiques. Ils sont dotés d’une variété unique de propriétés telles que l’intrication. L’intrication est importante pour les ordinateurs quantiques car elle leur permet d’effectuer des calculs d’une manière impossible pour les ordinateurs non quantiques. Crédit : Mark Belan/ISTA
Refroidir le bruit
Rishabh Sahu, post-doctorant dans le groupe de Fink et l’un des premiers auteurs de la nouvelle étude, explique : « Le bruit est un problème majeur pour tout qubit. On peut considérer le bruit comme toute perturbation du qubit. L’une des principales sources de bruit est la chaleur du matériau sur lequel le qubit est basé. »
La chaleur fait que les atomes d’un matériau se bousculent rapidement. Ce phénomène perturbe les propriétés quantiques telles que l’intrication, ce qui rendrait les qubits impropres au calcul. Par conséquent, pour rester fonctionnel, un ordinateur quantique doit isoler ses qubits de l’environnement, les refroidir à des températures extrêmement basses et les maintenir dans le vide afin de préserver leurs propriétés quantiques.
Pour les qubits supraconducteurs, cela se produit dans un dispositif cylindrique spécial suspendu au plafond, appelé « réfrigérateur de dilution », dans lequel la partie « quantique » du calcul a lieu. Les qubits situés tout en bas sont refroidis à seulement quelques millièmes de degrés au-dessus du zéro absolu, soit environ -273 degrés Celsius. Sahu ajoute avec enthousiasme : « Cela fait de ces réfrigérateurs dans nos laboratoires les endroits les plus froids de tout l’univers, même plus froids que l’espace lui-même. »
Le dispositif expérimental avec le réfrigérateur à dilution, la cavité supraconductrice et le cristal électro-optique divisant et enchevêtrant les photons. Crédit : Mark Belan/ISTA
Le réfrigérateur doit refroidir en permanence les qubits, mais plus on ajoute de qubits et de câbles de contrôle associés, plus on génère de chaleur et plus il est difficile de maintenir l’ordinateur quantique au frais. « La communauté scientifique prévoit qu’à partir de 1 000 qubits supraconducteurs dans un seul ordinateur quantique, nous atteindrons les limites du refroidissement », prévient M. Sahu. « Se contenter d’augmenter l’échelle n’est pas une solution durable pour construire des ordinateurs quantiques plus puissants.
Fink ajoute : « Des machines plus grandes sont en cours de développement, mais chaque assemblage et chaque refroidissement deviennent alors comparables au lancement d’une fusée, où l’on ne découvre les problèmes qu’une fois que le processeur est froid, sans pouvoir intervenir et corriger ces problèmes. »
Ondes quantiques
Si un réfrigérateur à dilution ne peut pas refroidir suffisamment plus d’un millier de qubits supraconducteurs à la fois, nous devons relier plusieurs ordinateurs quantiques plus petits pour qu’ils fonctionnent ensemble », explique Liu Qiu, postdoc dans le groupe de Fink et autre premier auteur de la nouvelle étude, « Nous aurions besoin d’un réseau quantique ». « Nous aurions besoin d’un réseau quantique.
Relier deux ordinateurs quantiques supraconducteurs, chacun doté de son propre réfrigérateur de dilution, n’est pas aussi simple que de les relier par un câble électrique. La connexion doit faire l’objet d’une attention particulière afin de préserver la nature quantique des qubits.
Les qubits supraconducteurs fonctionnent avec de minuscules courants électriques qui vont et viennent dans un circuit à des fréquences d’environ dix milliards de fois par seconde. Ils interagissent en utilisant des photons micro-ondes – des particules de lumière. Leurs fréquences sont similaires à celles utilisées par les téléphones portables.
Le problème est que même une petite quantité de chaleur perturberait facilement les photons micro-ondes et leurs propriétés quantiques nécessaires pour connecter les qubits dans deux ordinateurs quantiques distincts. En passant par un câble à l’extérieur du réfrigérateur, la chaleur de l’environnement les rendrait inutilisables.
« Au lieu des photons micro-ondes sujets au bruit dont nous avons besoin pour effectuer les calculs dans l’ordinateur quantique, nous voulons utiliser des photons optiques ayant des fréquences beaucoup plus élevées, semblables à celles de la lumière visible, pour relier les ordinateurs quantiques entre eux », explique M. Qiu. Ces photons optiques sont du même type que ceux envoyés par les fibres optiques qui fournissent l’internet à haut débit à nos foyers. Cette technologie est bien comprise et beaucoup moins sensible au bruit dû à la chaleur. Qiu ajoute : « Le défi consistait à faire interagir les photons micro-ondes avec les photons optiques et à les enchevêtrer. »
Séparer la lumière
Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé un dispositif électro-optique spécial : un résonateur optique constitué d’un cristal non linéaire, qui modifie ses propriétés optiques en présence d’un champ électrique. Une cavité supraconductrice abrite ce cristal et renforce cette interaction.
Sahu et Qiu ont utilisé un laser pour envoyer des milliards de photons optiques dans le cristal électro-optique pendant une fraction de microseconde. De cette manière, un photon optique se divise en une paire de nouveaux photons intriqués : un photon optique dont l’énergie est à peine inférieure à celle du photon d’origine et un photon micro-onde dont l’énergie est beaucoup plus faible.
« Le défi de cette expérience était que les photons optiques ont environ 20 000 fois plus d’énergie que les photons micro-ondes », explique Sahu, « et ils apportent beaucoup d’énergie et donc de chaleur dans l’appareil qui peut alors détruire les propriétés quantiques des photons micro-ondes. Nous avons travaillé pendant des mois pour peaufiner l’expérience et obtenir les bonnes mesures.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont construit un dispositif supraconducteur plus volumineux que les tentatives précédentes. Cela permet non seulement d’éviter une rupture de la supraconductivité, mais aussi de refroidir le dispositif plus efficacement et de le maintenir froid pendant les courtes durées des impulsions laser optiques.
« La percée est que les deux photons qui quittent le dispositif – le photon optique et le photon micro-onde – sont intriqués », explique Qiu. « Cela a été vérifié en mesurant les corrélations entre les fluctuations quantiques des champs électromagnétiques des deux photons, qui sont plus fortes que ce que peut expliquer la physique classique.
« Nous sommes maintenant les premiers à enchevêtrer des photons dont les échelles d’énergie sont si différentes. Selon M. Fink, « il s’agit d’une étape clé dans la création d’un réseau quantique, qui sera également utile pour d’autres technologies quantiques, telles que la détection quantique. »
Référence : « Entangling microwaves with light » par R. Sahu, L. Qiu, W. Hease, G. Arnold, Y. Minoguchi, P. Rabl et J. M. Fink, 18 mai 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.adg3812
L’étude a été financée par le Conseil européen de la recherche, le programme-cadre Horizon 2020 et le Fonds autrichien pour la science.