Les ions piégés excités par un faisceau laser peuvent être utilisés pour créer des qubits intriqués dans les systèmes d’information quantiques, mais l’adressage de plusieurs paires d’ions stationnaires dans un piège nécessite plusieurs commutateurs optiques et des contrôles complexes. Des scientifiques du Georgia Tech Research Institute (GTRI) ont démontré la faisabilité d’une nouvelle approche qui déplace les paires d’ions piégés à l’aide d’un seul faisceau laser, ce qui peut réduire les besoins en énergie et simplifier le système.
Dans un article récemment publié dans le journal Physical Review Lettersles chercheurs décrivent la mise en œuvre de portes d’enchevêtrement à deux qubits en déplaçant des ions de calcium maintenus dans un piège à électrode de surface à travers un faisceau optique bichromatique stationnaire. Le maintien d’un décalage Doppler constant pendant le déplacement des ions a nécessité un contrôle précis de la synchronisation.
“Nous avons montré que le transport d’ions est un outil intéressant qui peut être appliqué de manière unique pour produire un état enchevêtré en utilisant un contrôle fin du transport d’ions”, a déclaré Holly Tinkey, un chercheur du GTRI qui a dirigé l’étude. “La plupart des expériences de piège à ions ont un certain contrôle sur le mouvement des ions, donc ce que nous avons montré, c’est que nous pouvons potentiellement intégrer ce transport existant dans les opérations de logique quantique.”
Les mesures ont montré que l’état quantique intriqué des deux qubits transportés par le faisceau optique avait une fidélité comparable aux états intriqués produits par des portes stationnaires réalisées dans le même système de piégeage. L’expérience a utilisé une transition de qubit optique entre un état électronique de base et un état métastable de 40Ca+ à l’intérieur d’un piège de surface, une configuration qui permet de réaliser des portes à un et deux qubits à l’aide d’un seul faisceau.
Les chercheurs ont déplacé la paire d’ions piégés en faisant varier avec précision les champs de confinement électrique dans le piège en contrôlant les tensions appliquées aux électrodes adjacentes. Les ions eux-mêmes ont une charge électrique, une propriété qui les rend sujets aux changements des champs électriques qui les entourent.
“Nous effectuons certaines interactions où les ions sont piégés ensemble dans un seul puits de potentiel et où ils sont très proches et peuvent interagir, mais ensuite nous voulons parfois les séparer pour faire quelque chose de distinct à un ion que nous ne voulons pas faire à l’autre ion”, a expliqué Tinkey.
Les opérations de transport sont utilisées dans la plupart des expériences de piégeage d’ions pour permettre le chargement, la détection individuelle et l’adressage individuel. Les progrès réalisés dans la conception des pièges et le contrôle du potentiel électrique ont permis d’améliorer des activités telles que la navette rapide, la séparation rapide des ions, le contrôle de la phase optique, le transport par jonction et la rotation de la chaîne ionique.
Les ions piégés font partie des plateformes potentielles étudiées pour les systèmes d’information quantiques. D’autres options, comme les qubits supraconducteurs, sont physiquement fixés à un substrat et ne se prêteraient pas à l’approche de transport utilisée par les chercheurs du GTRI. Les techniques de calcul quantique pourraient contribuer à accélérer la découverte de nouveaux produits pharmaceutiques et à faire progresser l’ingénierie des matériaux.
Le blocage des ions par transport a été proposé théoriquement il y a quelques années, et un autre groupe expérimental a déjà créé des interactions en déplaçant des ions uniques à travers un faisceau stationnaire. L’étude du GTRI est considérée comme la première à créer une porte d’enchevêtrement par transport avec deux ions piégés. Dans leur expérience, les chercheurs du GTRI ont utilisé deux tons de lumière rouge à des fréquences légèrement différentes.
Le fait de déplacer les ions dans un seul faisceau présente au moins trois avantages potentiels. Tout d’abord, si un seul faisceau peut être réfléchi dans un sens et dans l’autre à travers un piège, ce faisceau pourrait interagir avec de nombreux ions, réduisant ainsi le besoin de faisceaux multiples et la puissance – et la complexité de contrôle – qu’ils requièrent.
“Cela ouvre vraiment la possibilité de partager la lumière entre plusieurs sites au sein d’une structure plus grande, sans avoir à disposer d’un commutateur optique pour chaque paire d’ions”, a déclaré Kenton Brown, un chercheur principal du GTRI qui a collaboré au projet. “Cette technique nous permet de déplacer littéralement les ions physiquement hors du faisceau et de ne laisser dans le faisceau que les ions que nous voulons gate.”
Un autre avantage est que l’intensité de l’interaction peut être contrôlée par le mouvement des ions dans le faisceau plutôt que par le réglage des impulsions laser. Et parce que l’intensité du faisceau augmente et diminue doucement lorsque les ions se déplacent à travers différentes parties du faisceau, les problèmes de couplage hors résonance peuvent être réduits, a déclaré Tinkey.
“En fait, cela rend votreLes courbes sont plus plates et plus faciles à travailler”, dit-elle. “Cela signifie que vous pourriez faire fonctionner votre portail à une plus grande gamme de désaccordages”.
Mais il y a aussi des inconvénients. Comme les ions se déplacent dans le faisceau, ils ne restent pas longtemps dans la partie la plus intense de celui-ci, mais sont exposés à une puissance qui augmente et diminue au fur et à mesure de leur déplacement. Cela signifie qu’un faisceau plus intense doit être utilisé pour fournir une quantité spécifique de puissance aux ions.
Selon M. Brown, les chercheurs en sciences quantiques craignaient que le fait de déplacer les ions et d’utiliser leur mouvement pour créer simultanément des portes à deux qubits ne crée trop de facteurs de complication susceptibles de rendre l’ensemble de l’approche irréalisable. “Mais il s’avère que si vous avez suffisamment de contrôle sur ces deux choses, vous pouvez faire en sorte que cela fonctionne”, a-t-il ajouté.
Les prochaines étapes possibles pourraient inclure l’extension de la technique de la porte de transport à des chaînes d’ions plus longues avec différents modes de transport et différentes espèces d’ions. Les chercheurs aimeraient également utiliser une configuration différente du faisceau laser qui pourrait réduire davantage le faible taux d’erreur observé dans leurs expériences.
Référence : “Transport-Enabled Entangling Gate for Trapped Ions” par Holly N. Tinkey, Craig R. Clark, Brian C. Sawyer et Kenton R. Brown, 31 janvier 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.050502
Cette recherche a été parrainée par l’Army Research Office sous le numéro de subvention W911NF-18-1-0166. Les opinions et les conclusions contenues dans ce document sont celles des auteurs et ne doivent pas être interprétées comme représentant les politiques officielles, explicites ou implicites, de l’Army Research Office ou du gouvernement des États-Unis.
