Dans une avancée notable pour l'informatique quantique, des chercheurs à Pékin ont réussi à intriquer deux types différents de qubits en utilisant un seul système laser. Cette découverte pourrait signaler une ère transformative dans l'informatique quantique, permettant aux machines d'effectuer des tâches au-delà des capacités des ordinateurs actuels.
Les résultats ont été publiés dans l'article "Réalisation expérimentale de portes d'intrication directe entre qubits de type double" dans le journal Physical Review Letters. L'auteur principal, Luming Duan, a déclaré : "Cette méthode réduit les coûts et la complexité des circuits quantiques en éliminant les conversions inutiles entre différents types de qubits."
Les qubits, unités fondamentales d'information en informatique quantique, peuvent exister dans plusieurs états simultanément grâce à la superposition. Cependant, tous les qubits ne sont pas égaux. Les qubits de type double combinent deux états quantiques différents au sein d'un seul système, augmentant leur polyvalence et réduisant les interférences.
Traditionnellement, les systèmes de calcul quantique utilisent différentes espèces d'ions pour minimiser le bruit entre les qubits, compliquant ainsi la structure globale. En revanche, les qubits de type double sont codés à l'intérieur d'un seul ion, comme les niveaux d'énergie hyperfins de l'ion Ba-137, permettant des opérations avec moins de matériel supplémentaire et, surtout, moins d'erreurs.
Selon les chercheurs, "Notre technique peut réduire les coûts matériels en utilisant un seul système laser de 532 nm pour intriquer les deux types de qubits via des transitions Raman." L'expérience a été réalisée avec des ions Ba-137 dans une trappe, refroidis près de leur état fondamental à l'aide de techniques comme le refroidissement Doppler. Les qubits ont été codés dans deux niveaux d'énergie différents : les états hyperfins S1/2 et D5/2.
Pour obtenir l'intrication, l'équipe a développé un système laser avec plusieurs composants de fréquence capables d'exciter simultanément les deux types de qubits. Ce processus, combiné aux oscillations collectives des ions, a agi comme un "pont quantique" qui a généré l'intrication. L'état de Bell obtenu a atteint une fidélité de 96,3 %, comparable aux méthodes traditionnelles pour des qubits du même type.
Cette méthode est révolutionnaire car elle élimine la nécessité de convertir les qubits entre différents types avant de les intriquer - un processus auparavant courant mais inefficace. L'équipe a confirmé : "Nous avons réalisé des portes d'intrication pour les qubits de type double et de même type avec des performances similaires, démontrant l'absence de limitations fondamentales pour appliquer cette méthode dans des circuits quantiques pratiques."
L'impact potentiel de cette technique est considérable. Les systèmes quantiques actuels sont confrontés à des défis importants liés aux erreurs et à la complexité du matériel. Réduire ces facteurs améliore non seulement les performances, mais élargit également les applications de la technologie, des réseaux quantiques à la correction d'erreurs.
Dans les réseaux quantiques, où il est essentiel d'intriquer des nœuds séparés par de longues distances, cette méthode pourrait simplifier le processus en minimisant le bruit entre les qubits. Pour les tâches de correction d'erreurs, les portes d'intrication pour les qubits de type double peuvent réduire la profondeur des circuits et simplifier la conception.
Luming Duan a noté : "À l'avenir, nous prévoyons d'appliquer cette technique pour la détection quantique des états intermédiaires dans les circuits de correction d'erreurs et pour construire des nœuds de réseaux quantiques basés sur des ions piégés." Malgré les résultats prometteurs, il reste encore des possibilités d'amélioration. Le principal défi réside dans l'augmentation de la stabilité du système laser et de la fréquence de la trappe à ions. L'article indique que les performances actuelles sont limitées par les temps de décohérence du laser (2,6 ms) et les mouvements des ions (4,1 ms).
Les chercheurs prévoient d'optimiser les chemins optiques et d'appliquer des techniques de stabilisation plus avancées. Cela améliorera la fidélité des portes d'intrication et élargira leur applicabilité dans des systèmes plus grands. De plus, la technique peut être intégrée dans des architectures de calcul quantique existantes sans modifications significatives, en faisant une option pratique pour l'évolutivité de la technologie quantique.