Le nombre de qubits dans les ordinateurs quantiques supraconducteurs a augmenté rapidement au cours des dernières années, mais la poursuite de la croissance est limitée par le besoin de températures de fonctionnement extremely-froides. La connexion de plusieurs processeurs additionally petits pourrait créer des ordinateurs quantiques additionally grands et moreover puissants en termes de calcul, mais cela pose de nouveaux défis. Une équipe de chercheurs dirigée par Rishabh Sahu, Liu Qiu et Johannes Fink de l’Institut autrichien des sciences et systems (ISTA) a maintenant, pour la première fois, démontré un enchevêtrement quantique entre les photons optiques et micro-ondes qui pourrait jeter les bases d’un tel futur réseau quantique.
Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des tâches difficiles en science des matériaux et en cryptographie qui resteront hors de portée même pour les supercalculateurs conventionnels les in addition puissants à l’avenir. Pourtant, cela nécessitera probablement des tens of millions de qubits de haute qualité en raison de la correction d’erreur requise.
Les progrès dans les processeurs supraconducteurs progressent rapidement avec un nombre de qubits actuel de l’ordre de quelques centaines. Les avantages de cette technologie sont la vitesse de calcul rapide et sa compatibilité avec la fabrication de micropuces, mais le besoin de températures ultra-froides limite finalement la taille du processeur et empêche tout accès physique une fois qu’il est refroidi.
Un ordinateur quantique modulaire avec plusieurs nœuds de processeur refroidis séparément pourrait résoudre ce problème. Cependant, les photons micro-ondes uniques – les particules de lumière qui sont les supports d’informations natifs entre les qubits supraconducteurs au sein des processeurs – ne conviennent pas pour être envoyés dans un environnement à température ambiante entre les processeurs. Le monde à température ambiante est animé par la chaleur, qui perturbe facilement les photons micro-ondes et leurs propriétés quantiques fragiles comme l’intrication.
Des chercheurs du groupe Fink de l’Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA), ainsi que des collaborateurs de la TU Wien et de l’Université procedure de Munich, ont démontré une étape technologique importante pour surmonter ces défis. Pour la toute première fois, ils ont intriqué des micro-ondes à basse énergie avec des photons optiques à haute énergie. Un tel état quantique intriqué de deux photons est la base pour câbler des ordinateurs quantiques supraconducteurs by way of des liaisons à température ambiante. Cela a des implications non seulement pour la mise à l’échelle du matériel quantique existant, mais il est également nécessaire de réaliser des interconnexions avec d’autres plates-formes informatiques quantiques ainsi que pour de nouvelles programs de télédétection améliorée quantique. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Science.
Refroidir le bruit
Rishabh Sahu, post-doctorant dans le groupe Fink et l’un des premiers auteurs de la nouvelle étude, explique : “Un problème majeur pour tout qubit est le bruit. Le bruit peut être considéré comme toute perturbation du qubit. Une supply majeure de bruit est la chaleur du matériau sur lequel le qubit est basé.”
La chaleur fait que les atomes d’un matériau se bousculent rapidement. Cela perturbe les propriétés quantiques comme l’intrication et, par conséquent, cela rendrait les qubits inadaptés au calcul. Par conséquent, pour rester fonctionnel, un ordinateur quantique doit avoir ses qubits isolés de l’environnement, refroidis à des températures extrêmement basses et maintenus sous vide pour préserver leurs propriétés quantiques.
Pour les qubits supraconducteurs, cela se produit dans un dispositif cylindrique spécial suspendu au plafond, appelé “réfrigérateur à dilution” dans lequel la partie “quantique” du calcul a lieu. Les qubits tout en bas sont refroidis à seulement quelques millièmes de degré au-dessus de la température du zéro absolu, à approximativement -273 degrés Celsius. Sahu ajoute avec enthousiasme : “Cela fait de ces réfrigérateurs dans nos laboratoires les endroits les plus froids de tout l’univers, encore plus froids que l’espace lui-même.”
Le réfrigérateur doit refroidir en permanence les qubits, mais as well as on ajoute de qubits et de câblage de contrôle associé, plus la chaleur est générée et in addition il est difficile de maintenir l’ordinateur quantique au frais. “La communauté scientifique prédit qu’à environ 1 000 qubits supraconducteurs dans un seul ordinateur quantique, nous atteignons les limites du refroidissement”, prévient Sahu. “Le uncomplicated fait de passer à l’échelle n’est pas une solution durable pour construire des ordinateurs quantiques additionally puissants.”
Fink ajoute : “Des devices furthermore grandes sont en cours de développement, mais chaque assemblage et chaque temps de recharge deviennent alors comparables à un lancement de fusée, où vous ne découvrez les problèmes qu’une fois que le processeur est froid et sans la possibilité d’intervenir et de corriger ces problèmes.”
Ondes quantiques
“Si un réfrigérateur à dilution ne peut pas suffisamment refroidir moreover d’un millier de qubits supraconducteurs à la fois, nous devons relier plusieurs petits ordinateurs quantiques pour qu’ils fonctionnent ensemble”, explique Liu Qiu, postdoctorant dans le groupe Fink et autre leading auteur de la nouvelle étude. “Nous aurions besoin d’un réseau quantique.”
Relier deux ordinateurs quantiques supraconducteurs, chacun avec son propre réfrigérateur à dilution, n’est pas aussi easy que de les connecter avec un câble électrique. La connexion nécessite une focus particulière pour préserver la character quantique des qubits.
Les qubits supraconducteurs fonctionnent avec de minuscules courants électriques qui vont et viennent dans un circuit à des fréquences d’environ dix milliards de fois par seconde. Ils interagissent à l’aide de photons micro-ondes — des particules de lumière. Leurs fréquences sont similaires à celles utilisées par les téléphones portables.
Le problème est que même une petite quantité de chaleur perturberait facilement les photons micro-ondes uniques et leurs propriétés quantiques nécessaires pour connecter les qubits dans deux ordinateurs quantiques distincts. Lors du passage d’un câble à l’extérieur du réfrigérateur, la chaleur de l’environnement les rendrait inutiles.
“Au lieu des photons micro-ondes sujets au bruit dont nous avons besoin pour effectuer les calculs dans l’ordinateur quantique, nous voulons utiliser des photons optiques avec des fréquences beaucoup moreover élevées similaires à la lumière obvious pour mettre en réseau les ordinateurs quantiques ensemble”, explique Qiu. Ces photons optiques sont du même sort envoyés by using des fibres optiques qui fournissent l’Internet haut débit à nos foyers. Cette technologie est bien maîtrisée et beaucoup moins reasonable au bruit de la chaleur. Qiu ajoute : “Le défi était de savoir remark faire interagir les photons micro-ondes avec les photons optiques et comment les emmêler.”
Lumière de fractionnement
Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé un dispositif électro-optique spécial : un résonateur optique constitué d’un cristal non linéaire, qui modifie ses propriétés optiques en présence d’un champ électrique. Une cavité supraconductrice abrite ce cristal et renforce cette interaction.
Sahu et Qiu ont utilisé un laser pour envoyer des milliards de photons optiques dans le cristal électro-optique pendant une fraction de microseconde. De cette façon, un photon optique se divise en une paire de nouveaux photons intriqués : un photon optique avec seulement un peu moins d’énergie que l’original et un photon micro-onde avec une énergie beaucoup moreover faible.
“Le défi de cette expérience était que les photons optiques ont environ 20 000 fois additionally d’énergie que les photons micro-ondes”, explique Sahu, “et ils apportent beaucoup d’énergie et donc de chaleur dans l’appareil qui peut ensuite détruire les propriétés quantiques des micro-ondes”. photons. Nous avons travaillé pendant des mois pour peaufiner l’expérience et obtenir les bonnes mesures.” Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont construit un dispositif supraconducteur additionally volumineux par rapport aux tentatives précédentes. Cela évite non seulement une panne de supraconductivité, mais contribue également à refroidir as well as efficacement le dispositif et à le maintenir froid pendant les courtes échelles de temps des impulsions laser optiques.
“La percée est que les deux photons quittant l’appareil – le photon optique et le photon micro-onde – sont intriqués”, explique Qiu. “Cela a été vérifié en mesurant les corrélations entre les fluctuations quantiques des champs électromagnétiques des deux photons qui sont in addition fortes que ce qui peut être expliqué par la physique classique.”
“Nous sommes maintenant les premiers à intriquer des photons d’échelles d’énergie aussi différentes.” Fink dit: “C’est une étape clé pour créer un réseau quantique et également utile pour d’autres systems quantiques, telles que la détection améliorée quantique.”
