La fibre optique pourrait augmenter la puissance des ordinateurs quantiques supraconducteurs –

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  • Le secret pour construire des ordinateurs quantiques supraconducteurs avec une puissance de traitement massive peut être une technologie de télécommunications ordinaire – la fibre optique.

    Les physiciens de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont mesuré et contrôlé un bit quantique supraconducteur (qubit) en utilisant une fibre conductrice de lumière au lieu de fils électriques métalliques, ouvrant la voie à l’emballage d’un million de qubits dans un ordinateur quantique plutôt que juste un quelques milliers. La démonstration est décrite dans le numéro du 25 mars de La nature.

    Les circuits supraconducteurs sont une technologie de pointe pour la fabrication d’ordinateurs quantiques, car ils sont fiables et facilement produits en masse. Mais ces circuits doivent fonctionner à des températures cryogéniques, et les schémas de câblage à l’électronique à température ambiante sont complexes et susceptibles de surchauffer les qubits. Un ordinateur quantique universel, capable de résoudre tout type de problème, devrait nécessiter environ 1 million de qubits. Les cryostats conventionnels – réfrigérateurs à dilution super-froid – avec câblage métallique ne peuvent en supporter que des milliers au maximum.

    La fibre optique, épine dorsale des réseaux de télécommunications, possède un cœur en verre ou en plastique qui peut transporter un volume élevé de signaux lumineux sans conduire de chaleur. Mais les ordinateurs quantiques supraconducteurs utilisent des impulsions micro-ondes pour stocker et traiter les informations. La lumière doit donc être convertie précisément en micro-ondes.

    Pour résoudre ce problème, les chercheurs du NIST ont combiné la fibre avec quelques autres composants standard qui convertissent, transportent et mesurent la lumière au niveau de particules uniques, ou photons, qui pourraient ensuite être facilement converties en micro-ondes. Le système fonctionnait aussi bien que le câblage métallique et maintenait les états quantiques fragiles du qubit.

    “Je pense que cette avancée aura un impact important car elle combine deux technologies totalement différentes, la photonique et les qubits supraconducteurs, pour résoudre un problème très important”, a déclaré le physicien du NIST John Teufel. “La fibre optique peut également transporter beaucoup plus de données dans un volume beaucoup plus petit que le câble conventionnel.”

    Normalement, les chercheurs génèrent des impulsions micro-ondes à température ambiante, puis les délivrent via des câbles métalliques coaxiaux à des qubits supraconducteurs maintenus de manière cryptogénique. La nouvelle configuration du NIST utilisait une fibre optique au lieu de métal pour guider les signaux lumineux vers des photodétecteurs cryogéniques qui convertissaient les signaux en micro-ondes et les livraient au qubit. À des fins de comparaison expérimentale, les micro-ondes pourraient être acheminées vers le qubit via la liaison photonique ou une ligne coaxiale régulière.

    Le qubit «transmon» utilisé dans l’expérience sur la fibre était un dispositif connu sous le nom de jonction Josephson noyée dans un réservoir ou une cavité tridimensionnelle. Cette jonction est constituée de deux métaux supraconducteurs séparés par un isolant. Dans certaines conditions, un courant électrique peut traverser la jonction et peut osciller d’avant en arrière. En appliquant une certaine fréquence micro-ondes, les chercheurs peuvent conduire le qubit entre les états basse énergie et excité (1 ou 0 en informatique numérique). Ces états sont basés sur le nombre de paires de Cooper – paires d’électrons liées avec des propriétés opposées – qui ont «tunnelé» à travers la jonction.

    L’équipe du NIST a mené deux types d’expériences, utilisant la liaison photonique pour générer des impulsions micro-ondes qui mesuraient ou contrôlaient l’état quantique du qubit. La méthode est basée sur deux relations: La fréquence à laquelle les micro-ondes rebondissent naturellement dans la cavité, appelée fréquence de résonance, dépend de l’état du qubit. Et la fréquence à laquelle le qubit change d’état dépend du nombre de photons dans la cavité.

    Les chercheurs ont généralement commencé les expériences avec un générateur de micro-ondes. Pour contrôler l’état quantique du qubit, des dispositifs appelés modulateurs électro-optiques convertissaient les micro-ondes en fréquences optiques plus élevées. Ces signaux lumineux ont traversé la fibre optique de la température ambiante à 4K (moins 269 ° C ou moins 452 ° F) jusqu’à 20 milliKelvin (millièmes de Kelvin) où ils ont atterri dans des photodétecteurs à semi-conducteurs à grande vitesse, qui ont converti les signaux lumineux en micro-ondes qui ont ensuite été envoyées au circuit quantique.

    Dans ces expériences, les chercheurs ont envoyé des signaux au qubit à sa fréquence de résonance naturelle, pour le mettre dans l’état quantique souhaité. Le qubit oscillait entre son état de masse et son état excité lorsqu’il y avait une puissance laser adéquate.

    Pour mesurer l’état du qubit, les chercheurs ont utilisé un laser infrarouge pour lancer la lumière à un niveau de puissance spécifique à travers les modulateurs, la fibre et les photodétecteurs pour mesurer la fréquence de résonance de la cavité.

    Les chercheurs ont d’abord commencé l’oscillation du qubit, avec la puissance du laser supprimée, puis ont utilisé la liaison photonique pour envoyer une faible impulsion micro-ondes à la cavité. La fréquence de la cavité indiquait avec précision l’état du qubit 98% du temps, la même précision que celle obtenue en utilisant la ligne coaxiale régulière.

    Les chercheurs envisagent un processeur quantique dans lequel la lumière dans les fibres optiques transmet des signaux vers et depuis les qubits, chaque fibre ayant la capacité de transporter des milliers de signaux vers et depuis le qubit.

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    Houssen Moshinaly

    Rédacteur web depuis 2009 et webmestre depuis 2011.

    Je m'intéresse à tous les sujets comme la politique, la culture, la géopolitique, l'économie ou la technologie. Toute information permettant d'éclairer mon esprit et donc, le vôtre, dans un monde obscur et à la dérive.

    Je suis l'auteur de plusieurs livre

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