Les scientifiques ont construit un nouveau type de qubit moléculaire qui pourrait aider à connecter des ordinateurs quantiques via la technologie de télécommunications existante, jetant ainsi les bases d’un futur Internet quantique.
Le nouveau qubit contient un élément de terre rare appelé erbiumqui possède des propriétés optiques et magnétiques lui permettant de transmettre des informations quantiques en utilisant les mêmes longueurs d’onde que les réseaux à fibres optiques.
L’équipe a publié ses résultats le 2 octobre dans la revue Science. Dans un déclarationils ont qualifié cette technologie de « nouvel élément de base prometteur pour les technologies quantiques évolutives », depuis les liaisons de communication ultra-sécurisées jusqu’aux réseaux longue distance de données. ordinateurs quantiques – souvent appelé Internet quantique.
De nombreuses recherches ont été consacrées à la création de la technologie nécessaire à un Internet quantique, notamment un nouvelle puce construite en septembre qui permet de transmettre des signaux quantiques sur des câbles à fibres optiques réels. Dans la nouvelle étude, les chercheurs se sont concentrés sur la création d’un nouveau type de qubit qui pourrait aider à transmettre des données.
« En démontrant la polyvalence de ces qubits moléculaires d’erbium, nous franchissons une nouvelle étape vers des réseaux quantiques évolutifs qui peuvent se connecter directement à l’infrastructure optique actuelle », David Awschalomchercheur principal de l’étude et professeur de génie moléculaire et de physique à l’Université de Chicago, a déclaré dans le communiqué.
Un autre type de qubit
Les qubits constituent la forme la plus élémentaire d’information quantique et constituent l’équivalent quantique des bits dans l’informatique classique.
Mais c’est en grande partie là que se termine la comparaison. Alors que les bits classiques calculent en binaires 1 et 0, les qubits se comportent selon les règles étranges de la physique quantique, leur permettant d’exister dans plusieurs états à la fois – une propriété connue sous le nom de superposition. Une paire de qubits pourrait donc être simultanément 0-0, 0-1, 1-0 et 1-1.
Les qubits se présentent généralement sous trois formes : supraconducteur les qubits, constitués de minuscules circuits électriques ; ion piégé les qubits, qui stockent les informations dans des atomes chargés maintenus en place par des champs électromagnétiques ; et photonique les qubits, qui codent les états quantiques dans les particules de lumière.
Les qubits moléculaires utilisent des molécules individuelles, souvent construites autour de métaux de terres rares dont spin électronique définit leur état quantique. Ce spin donne à l’électron un petit champ magnétiquedont la direction définit la valeur du qubit. Comme un bit normal, il peut représenter un 1, un 0, mais il peut aussi être une superposition des deux états.
Ce qui rend le nouveau qubit à base d’erbium unique, c’est qu’il se comporte à la fois comme un qubit de spin et comme un qubit photonique ; il peut stocker des informations magnétiquement tout en étant lu à l’aide de signaux optiques.
Dans une expérience, les chercheurs ont montré que le spin de l’atome d’erbium pouvait être placé dans une superposition contrôlée – une condition essentielle au bon fonctionnement d’un qubit. Étant donné que l’état de spin influence la longueur d’onde de la lumière émise par l’atome, l’équipe a pu lire les états quantiques du qubit à l’aide de techniques standard telles que spectroscopie optique.
« Ces molécules peuvent agir comme un pont à l’échelle nanométrique entre le monde du magnétisme et le monde de l’optique », Léa Weissco-premier auteur de l’article et chercheur postdoctoral à la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago, a déclaré dans le communiqué. « Les informations pourraient être codées dans l’état magnétique d’une molécule, puis accessibles avec de la lumière à des longueurs d’onde compatibles avec les technologies bien développées sous-jacentes aux réseaux de fibres optiques et aux circuits photoniques au silicium. »
Données quantiques longue distance
Opérer dans les télécommunications longueurs d’onde offre deux avantages clés, le premier étant que les signaux peuvent parcourir de longues distances avec une perte minimale, ce qui est essentiel pour la transmission de données quantiques sur les réseaux de fibre optique.
La seconde est que la lumière aux longueurs d’onde des fibres optiques traverse facilement silicium. Si ce n’était pas le cas, toutes les données codées dans le signal optique seraient absorbées et perdues. Étant donné que le signal optique peut traverser le silicium jusqu’aux détecteurs ou à d’autres composants photoniques intégrés en dessous, le qubit à base d’erbium est idéal pour le matériel basé sur des puces, ont indiqué les chercheurs.
« Les longueurs d’onde des télécommunications offrent le taux de perte le plus faible pour la lumière traversant les fibres optiques. Ceci est essentiel si vous souhaitez envoyer de manière fiable des informations codées dans un seul photon (une seule particule de lumière) au-delà du laboratoire », a déclaré Awschalom à Live Science dans un e-mail.
L’échelle est un autre avantage, a expliqué Awschalom. Chaque qubit est constitué d’une molécule unique environ 100 000 fois plus petite qu’un cheveu humain. Parce que leur structure peut être ajustée via chimie synthétiqueles qubits moléculaires peuvent être intégrés dans des environnements que d’autres ne peuvent pas intégrer, y compris les dispositifs à semi-conducteurs ou même à l’intérieur des cellules vivantes.
Ce niveau de contrôle pourrait aider à relever l’un des plus grands défis techniques de l’informatique quantique : intégrer la compatibilité quantique directement dans les technologies existantes.
« L’intégration est une étape clé dans la mise à l’échelle de la technologie et un défi exceptionnel dans ce domaine », a déclaré Awschalom. « Nous travaillons à l’intégration de ces qubits dans des dispositifs sur puce et pensons que cela ouvrira de nouveaux régimes de contrôle, de détection et de couplage de molécules. »
