Est-il possible de réunir une horloge ultra-précise, un processeur de calcul et un simulateur de processus physiques au sein d'une seule particule quantique ? Des physiciens du laboratoire JILA à Boulder, en collaboration avec leurs confrères de l'université d'Innsbruck, ont démontré que cela était réalisable. Ils ont mis au point un véritable « couteau suisse » quantique à partir d'atomes d'ytterbium-171, capables de changer de fonction sous l'impulsion d'un laser.
Jusqu’à présent, les technologies quantiques progressaient de manière cloisonnée. Tandis que certains chercheurs concevaient des qubits dédiés au calcul, d'autres se concentraient sur la modélisation de systèmes complexes ou sur la création d'horloges optiques. Le défi résidait dans le fait que chaque application exigeait des propriétés physiques distinctes.
L'équipe dirigée par Adam Kaufman a toutefois trouvé une parade élégante à ce problème. Les chercheurs ont exploité trois paires d'états énergétiques de l'ytterbium partageant un état « ancré » commun. En soumettant l'atome à des impulsions laser de fréquences spécifiques, ils ont réussi à basculer instantanément la superposition quantique d'un mode à l'autre, sans aucune perte de données.
Un seul et même atome remplit désormais trois fonctions distinctes :
- Le qubit nucléaire : il exploite le spin du noyau, quasiment insensible aux perturbations externes, pour stocker l'information de manière fiable.
- Le qubit de Rydberg : généré par une forte excitation électronique, il permet aux atomes d'interagir rapidement entre eux pour réaliser des calculs.
- Le qubit optique : il utilise les niveaux d'énergie propres aux horloges atomiques, un élément indispensable pour les mesures de haute précision.
Au cours de leurs expérimentations, les scientifiques ont validé l'intégralité du cycle opérationnel. Ils sont parvenus à intriquer jusqu'à 20 atomes et ont effectué des opérations à deux qubits avec une précision de 99,78 %. Si une erreur survenait lors de la commutation, le système la détectait par contrôle optique et écartait automatiquement les essais infructueux.
À terme, une telle polyvalence promet d'effacer les frontières entre l'informatique quantique et la métrologie de précision. Les ingénieurs n'auront plus à trancher entre la stabilité du système et sa rapidité d'exécution. L'intégration de ces trois modes au sein d'une plateforme unique pourrait accélérer l'émergence d'ordinateurs quantiques concrets, aptes à résoudre des problèmes appliqués sans nécessiter de changements d'équipement complexes.
