L’informatique quantique à ions piégés pilotée par micro-ondes établit de nouveaux records
Les ions atomiques piégés constituent l’une des plateformes les plus prometteuses pour le déploiement d’ordinateurs quantiques sur une grande échelle. Les qubits sont basés sur les états électroniques stables des ions confinés et piégés à l’aide de champs électromagnétiques. La mise à l’échelle se rapproche, puisqu’il est possible de créer des millions de qubits d’ions piégés identiques – des standards d’horloge atomique. Traditionnellement, chaque qubit est manipulé au moyen de deux faisceaux laser. Cela fonctionne en laboratoire pour un ou quelques qubits, mais les ordinateurs quantiques à grande échelle nécessiteraient des millions de faisceaux laser. Une technologie micro-ondes bien établie et compacte pourrait permettre de remplacer les paires de faisceaux laser par une tension appliquée à une micropuce à des températures douces. Le projet MicroQC, financé par l’UE, a fait progresser cette approche, ouvrant la voie à l’informatique quantique à grande échelle qui exploite la logique quantique sur puce, évolutive et pilotée par micro-ondes.
Ordinateurs quantiques à ions piégés pilotés par micro-ondes: les principaux défis à relever
L’utilisation du rayonnement micro-ondes au lieu de faisceaux laser contrôlés avec précision permet aux chercheurs d’irradier de nombreux ions avec une seule source, et les composants micro-ondes disponibles dans le commerce peuvent faire l’affaire. Cependant, le rayonnement global de grande longueur d’onde n’affecte que faiblement le mouvement des ions. En le combinant avec des champs magnétiques locaux puissants, on peut contrôler de manière précise et efficace les qubits d’intérêt. Les effets des grands gradients de champ magnétique sur les puces à ions piégés microfabriquées constituent un défi majeur. En outre, le concept actuel d’une architecture d’ordinateur quantique à ions piégés sur une grande échelle consiste en différents modules (comme de minuscules tuiles) reliés par des «jonctions en X» qui permettent à un qubit ionique individuel d’interagir avec ses voisins. La modularité permet l’extensibilité. Toutefois, chaque module comporte différentes zones pour le chargement et le piégeage, la manipulation, le stockage et la lecture, ce qui signifie que des protocoles de transport d’ions de haute fidélité sont obligatoires. Par exemple, une fidélité de 99 % signifie moins d’une erreur pour 100 opérations.
Des bas records: diaphonie et erreurs de transport ionique
MicroQC a relevé avec succès ces deux défis. Le coordinateur du projet, Nikolay V. Vitanov, de l’université de Sofia, explique: «Au sein de MicroQC, des efforts importants ont été consacrés à l’amélioration des puces à piège à ions microfabriquées, ce qui a permis d’augmenter le gradient de champ magnétique d’un ordre de grandeur – d’environ 20 à près de 200 Tesla/mètre. Le gradient plus important permet de construire des portes quantiques beaucoup plus rapides et plus précises.» Les réalisations les plus remarquables du consortium concernent peut-être l’amélioration de la fidélité des portes à deux qubits et la réduction des erreurs de diaphonie et de transport ionique. Pour faire passer le nombre de qubits d’un ordinateur quantique de 127, le meilleur chiffre actuel, à plusieurs millions, il faudra que chaque qubit ou paire de qubits soit contrôlé individuellement et avec une grande précision. La diaphonie – lorsque la manipulation d’un qubit affecte les autres – complique considérablement la correction des erreurs quantiques, car celles-ci ne sont alors ni locales ni prévisibles. «MicroQC a atteint une fidélité de porte de 99,7 % pour deux qubits, une diaphonie non désirée avec les qubits voisins inférieure à 10-7 et une feuille de route vers l’informatique quantique à l’échelle industrielle avec des millions de qubits. Ces records et d’autres records mondiaux en matière d’informatique quantique à ions piégés ont été atteints grâce aux travaux du projet», ajoute Nikolay V. Vitanov.
L’avenir du traitement de l’information quantique par micro-ondes
Les connaissances, la compréhension et l’expérience acquises dans le cadre du projet ont été résumées dans une feuille de route visant à atteindre des niveaux de préparation technologique élevés pour le traitement de l’information quantique par micro-ondes avec des ions piégés. Le projet est peut-être terminé, mais la création des start-up Universal Quantum, Qudora Technologies et EleQtron garantit que ses succès révolutionnaires trouveront une application pratique dans les ordinateurs quantiques de demain pour résoudre les problèmes du monde réel.
Mots‑clés
MicroQC, qubit, micro-ondes, ordinateurs quantiques, ion piégé, diaphonie, fidélité, champ magnétique, informatique quantique, jonctions X
