Les scientifiques ont accompli la « tâche impossible » : contrôler la lumière tout en mesurant les qubits d’ions piégés. Lorsqu’un qubit est mesuré avec une lumière laser, le processus finit souvent par endommager les qubits voisins. Les hologrammes peuvent y contribuer.
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L’un des problèmes les plus difficiles auxquels sont confrontés les scientifiques lorsqu’ils travaillent avec des informations quantiques est la protection des qubits. En effet, chaque fois qu’ils réinitialisent, mesurent ou suppriment ne serait-ce qu’un qubit, les qubits voisins peuvent être endommagés, entraînant une perte d’informations. Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université de Waterloo propose une solution à ce problème. Les auteurs de l'étude ont développé un moyen de contrôler avec précision la lumière laser utilisée pour manipuler les qubits.
Ils ont même mené une expérience pour accomplir cette tâche presque impossible. L'expérience consistait à mesurer et à réinitialiser un qubit d'ion piégé dans un état connu sans causer de dommages ou de perturbations aux qubits voisins situés à quelques micromètres seulement. "Cette démonstration pourrait avoir un impact significatif sur les recherches futures dans ce domaine, notamment en améliorant les processeurs quantiques, en augmentant la vitesse et les capacités de tâches telles que les simulations quantiques dans les machines qui existent déjà aujourd'hui et en mettant en œuvre la correction d'erreurs", notent les auteurs de l'étude.
Pourquoi ne parvenons-nous souvent pas à sauvegarder les qubits ?
Les méthodes existantes de protection des qubits présentent un certain nombre de limites. Par exemple, ils nécessitent souvent des ressources supplémentaires telles que des qubits supplémentaires ou des processus redondants pour la correction des erreurs. Cela peut entraîner une perte de temps de cohérence – le temps pendant lequel les qubits restent dans leur état quantique sans être perturbés. De telles méthodes peuvent également introduire de nouvelles erreurs au cours du processus de correction, réduisant ainsi l’efficacité et la fiabilité globales.
Ces limitations rendent la manipulation ou même l’accès aux qubits très difficile. Les auteurs de l'étude ont proposé une solution intéressante à ce problème. Ils ont travaillé sur deux technologies distinctes : les qubits de pièges à ions et la formation de faisceaux holographiques.
Le premier est utilisé pour lire, réinitialiser et manipuler des qubits à l’aide de la lumière laser. Au cours de ce processus, les qubits sont représentés par des ions retenus dans des champs électromagnétiques. Ce dernier est utilisé pour façonner et manipuler la lumière laser à travers des éléments optiques tels que des hologrammes.
Ils ont décidé d'utiliser les deux technologies ensemble pour contrôler la lumière laser afin qu'elle n'interfère pas avec les autres qubits du système lorsqu'ils travaillent sur un qubit particulier.
Comment travailler avec des qubits sans les endommager
Les auteurs de l'étude ont décidé de modifier l'état quantique du qubit. Ils ont d’abord calculé son état quantique à l’aide d’une mesure intermédiaire, un processus d’informatique quantique où l’état d’un qubit est mesuré alors que d’autres opérations sont encore en cours.
Ils ont ensuite utilisé un laser contrôlé avec précision dans une configuration de qubits à ions piégés utilisant la technologie de formation de faisceaux holographiques. Cette approche combinée maintenait la lumière concentrée sur la cible et l’empêchait d’atteindre d’autres qubits. Cependant, « au cours de ce processus, l’ion cible diffuse les photons dans toutes les directions. Même avec un contrôle parfait de la lumière, il existe un risque que ces photons dispersés perturbent les états quantiques des qubits voisins, limitant ainsi la capacité de les protéger", a déclaré Rajibul Islam, auteur principal de l'étude et professeur à l'Université de Waterloo.
L'approche holographique a permis aux chercheurs de contrôler et de limiter les photons diffusés. En conséquence, l’expérience a été couronnée de succès et n’a entraîné aucune perturbation ni dommage aux qubits voisins.
"Nous démontrons la capacité de réinitialiser l'état in situ et de mesurer l'état des ions piégés, en obtenant une précision de rétention > 99,9 % d'un qubit d'ion "actif" lors de la réinitialisation d'un qubit "technologique" proche, et une précision de rétention > 99,6 % lors de l'application d'un qubit "actif". faisceau de détection pendant 11 μs sur le même qubit voisin à une distance de 6 μm", notent les auteurs de l'étude.
Il s’agit d’un exploit incroyable, car jusqu’à présent, il était considéré comme presque impossible de mesurer un seul qubit sans tout secouer. "Presque tout le monde dans notre industrie a dit que c'était une mauvaise idée et qu'elle ne valait même pas la peine d'être essayée parce qu'elle est si fragile", ajoute Islam. "Cependant, nous avons montré qu'il est effectivement possible de détruire n'importe quel qubit particulier que vous souhaitez tout en stockant des informations quantiques dans d'autres qubits que vous ne souhaitez pas détruire", a déclaré Sainath Motlakunta, premier auteur de l'étude et chercheur postdoctoral à l'université. l'Université de Waterloo.
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