Un nouveau spin sur les atomes permet aux scientifiques d’examiner de plus près l’étrangeté quantique –

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de Princeton, dirigée par Jeff Thompson, professeur adjoint de génie électrique, a développé une nouvelle façon de contrôler et de mesurer des atomes si proches les uns des autres qu’aucune lentille optique ne peut les distinguer.

Décrit dans un article publié le 30 octobre dans la revue Science, leur procédé excite des atomes d’erbium étroitement espacés dans un cristal à l’aide d’un laser finement accordé dans un circuit optique à l’échelle nanométrique. Les chercheurs tirent parti du fait que chaque atome répond à des fréquences ou couleurs légèrement différentes de la lumière laser, permettant aux chercheurs de résoudre et de contrôler plusieurs atomes, sans se fier à leurs informations spatiales.

Dans un microscope conventionnel, l’espace entre deux atomes disparaît effectivement lorsque leur séparation est inférieure à une distance clé appelée limite de diffraction, qui est à peu près égale à la longueur d’onde de la lumière. Ceci est analogue à deux étoiles lointaines qui apparaissent comme un seul point de lumière dans le ciel nocturne. Cependant, c’est aussi l’échelle à laquelle les atomes commencent à interagir et donnent lieu à un comportement mécanique quantique riche et intéressant.

“Nous nous demandons toujours, au niveau le plus fondamental – à l’intérieur des solides, à l’intérieur des cristaux – que font réellement les atomes? Comment interagissent-ils?” a déclaré le physicien Andrei Faraon, professeur à l’Institut de technologie de Californie qui n’était pas impliqué dans la recherche. “Ce [paper] ouvre la fenêtre pour étudier les atomes qui sont très, très proches. “

L’étude des atomes et de leurs interactions à de très petites distances permet aux scientifiques d’explorer et de contrôler une propriété quantique appelée spin. En tant que forme d’élan, la rotation est généralement décrite comme étant soit vers le haut soit vers le bas (ou les deux, mais c’est une autre histoire). Lorsque la distance entre deux atomes devient de plus en plus petite – de simples milliardièmes de mètre – le spin de l’un exerce une influence sur le spin de l’autre, et vice versa. Au fur et à mesure que les spins interagissent dans ce domaine, ils peuvent s’emmêler, un terme que les scientifiques utilisent pour décrire deux particules ou plus qui sont inextricablement liées. Les particules enchevêtrées se comportent comme si elles partageaient une existence, quelle que soit la distance qu’elles deviendront plus tard. L’enchevêtrement est le phénomène essentiel qui sépare la mécanique quantique du monde classique, et il est au centre de la vision des technologies quantiques. Le nouveau dispositif de Princeton est un tremplin pour les scientifiques pour étudier ces interactions de spin avec une clarté sans précédent.

Une caractéristique importante du nouveau dispositif de Princeton est son potentiel à adresser des centaines d’atomes à la fois, fournissant un laboratoire quantique riche dans lequel recueillir des données empiriques. C’est une aubaine pour les physiciens qui espèrent percer les mystères les plus profonds de la réalité, y compris la nature effrayante de l’intrication.

Une telle enquête n’est pas simplement ésotérique. Au cours des trois dernières décennies, les ingénieurs ont cherché à utiliser les phénomènes quantiques pour créer des technologies complexes pour le traitement de l’information et la communication, des blocs de construction logiques des ordinateurs quantiques émergents, capables de résoudre des problèmes autrement impossibles, aux méthodes de communication ultra-sûres qui peuvent relier les machines en un Internet quantique non piratable. Pour développer davantage ces systèmes, les scientifiques devront enchevêtrer les particules de manière fiable et exploiter leur enchevêtrement pour coder et traiter les informations.

L’équipe de Thompson a vu une opportunité dans l’erbium. Traditionnellement utilisé dans les lasers et les aimants, l’erbium n’a pas été largement exploré pour une utilisation dans les systèmes quantiques car il est difficile à observer, selon les chercheurs. L’équipe a fait une percée en 2018, développant un moyen d’améliorer la lumière émise par ces atomes et de détecter ce signal de manière extrêmement efficace. Maintenant, ils ont montré qu’ils pouvaient tout faire en masse.

Lorsque le laser illumine les atomes, il les excite juste assez pour qu’ils émettent une faible lumière à une fréquence unique, mais assez délicatement pour préserver et lire les spins des atomes. Ces fréquences changent si subtilement selon les différents états des atomes, de sorte que «haut» a une fréquence et «bas» en a une autre, et chaque atome individuel a sa propre paire de fréquences.

“Si vous avez un ensemble de ces qubits, ils émettent tous de la lumière à des fréquences très légèrement différentes. Et donc en réglant soigneusement le laser sur la fréquence de l’un ou sur la fréquence de l’autre, nous pouvons y répondre, même si nous n’avons aucune capacité pour les résoudre spatialement », a déclaré Thompson. “Chaque atome voit toute la lumière, mais ils n’écoutent que la fréquence sur laquelle ils sont accordés.”

La fréquence de la lumière est alors une approximation parfaite du spin. Basculer les rotations de haut en bas donne aux chercheurs un moyen de faire des calculs. Cela s’apparente aux transistors qui sont activés ou désactivés dans un ordinateur classique, ce qui donne naissance aux zéros et aux uns de notre monde numérique.

Pour former la base d’un processeur quantique utile, ces qubits devront aller plus loin.

“La force de l’interaction est liée à la distance entre les deux spins”, a déclaré Songtao Chen, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Thompson et l’un des deux auteurs principaux de l’article. “Nous voulons les rapprocher afin de pouvoir avoir cette interaction mutuelle, et utiliser cette interaction pour créer une porte de logique quantique.”

Une porte logique quantique nécessite deux qubits intriqués ou plus, ce qui la rend capable d’effectuer des opérations quantiques uniques, telles que le calcul des modèles de repliement des protéines ou le routage des informations sur l’Internet quantique.

Thompson, qui occupe une position de leadership dans la nouvelle initiative de science quantique de 115 millions de dollars du département américain de l’énergie, a pour mission de mettre ces qubits au pied. Dans le cadre de l’orientation des matériaux du Co-Design Center for Quantum Advantage, il dirige les sous-qubits pour l’informatique et la mise en réseau.

Son système erbium, un nouveau type de qubit particulièrement utile dans les applications de réseau, peut fonctionner en utilisant l’infrastructure de télécommunications existante, en envoyant des signaux sous forme de lumière codée sur des dispositifs en silicium et des fibres optiques. Ces deux propriétés confèrent à l’erbium un avantage industriel par rapport aux qubits à semi-conducteurs les plus avancés d’aujourd’hui, qui transmettent des informations via des longueurs d’onde de lumière visible qui ne fonctionnent pas bien avec les réseaux de communication à fibre optique.

Pourtant, pour fonctionner à grande échelle, le système erbium devra être développé davantage.

Bien que l’équipe puisse contrôler et mesurer l’état de rotation de ses qubits, quelle que soit leur proximité, et utiliser des structures optiques pour produire des mesures haute fidélité, elle ne peut pas encore organiser les qubits selon les besoins pour former des portes à deux qubits. Pour ce faire, les ingénieurs devront trouver un matériau différent pour héberger les atomes d’erbium. L’étude a été conçue avec cette amélioration future à l’esprit.

«L’un des principaux avantages de la façon dont nous avons mené cette expérience est qu’elle n’a rien à voir avec l’hôte dans lequel se trouve l’erbium», a déclaré Mouktik Raha, un étudiant diplômé de sixième année en génie électrique et l’un des deux chefs de file du journal. auteurs. “Tant que vous pouvez mettre de l’erbium à l’intérieur et qu’il ne tremble pas, vous êtes prêt à partir.”

Christopher M. Phoenicie et Salim Ourari, tous deux étudiants diplômés en génie électrique, ont également contribué à l’article. Les travaux ont été menés en collaboration avec l’Initiative Princeton Quantum, et financés en partie par la National Science Foundation, le Princeton Center for Complex Materials, le Young Investigator Program du Air Force Office of Scientific Research et la Defense Advanced Research Projects Agency. .