Les chercheurs font face à un obstacle majeur dans l’ordinateur quantique


Les chercheurs font face à un obstacle majeur dans l'ordinateur quantique

Une puce semi-conductrice de processeur quantique est montrée connectée à une carte de circuit imprimé. Crédit: Photo de l’Université de Rochester / J. Adam Window

Dans une série d’articles, de Rochester rapportent des avancées importantes dans l’amélioration du transfert d’informations dans les systèmes quantiques.

La science quantique a le potentiel de révolutionner la technologie moderne avec des ordinateurs, des dispositifs de communication et de détection plus efficaces. Cependant, atteindre ces objectifs technologiques reste un défi, en particulier lorsqu’il s’agit de transférer efficacement des informations dans des systèmes quantiques.

Un ordinateur normal est composé de milliards de transistors appelés bits. Les ordinateurs quantiques, quant à eux, sont basés sur des bits quantiques, également appelés qubits, qui peuvent être produits à partir d’un seul électron.

Contrairement aux transistors ordinaires, qui peuvent être soit « 0 » (off) soit « 1 » (on), les qubits peuvent être « 0 » et « 1 » en même temps. La capacité des qubits individuels à occuper ces soi-disant états de superposition, dans lesquels ils sont simultanément dans plusieurs états, est à la base du grand potentiel des ordinateurs quantiques. Cependant, tout comme les ordinateurs ordinaires, les ordinateurs quantiques ont besoin d’un moyen de transférer des informations quantiques entre des qubits distants – et c’est un défi expérimental .

Dans une série d’articles publiés dans Communication de la natureDes chercheurs de l’Université de Rochester, dont John Nichol, professeur adjoint de et d’astronomie, et les doctorants Yadav Kandel et Haifeng Qiao, auteurs principaux des travaux, signalent des avancées importantes dans l’amélioration des ordinateurs quantiques en améliorant le transfert d’informations entre ces électrons. dans les systèmes quantiques.

Dans un travail, les chercheurs ont démontré pour la première fois un moyen de transférer des informations entre qubits, le soi-disant transfert d’état quantique adiabatique (AQT), en utilisant des qubits de spin électronique. Contrairement à la plupart des méthodes de transfert d’informations entre qubits, qui reposent sur des impulsions de champ électrique ou magnétique soigneusement adaptées, l’AQT n’est pas aussi affectée par l’erreur d’impulsion et le bruit.

Imaginez conduire votre voiture et vouloir la garer pour imaginer comment fonctionne l’AQT. Si vous n’appuyez pas sur les freins au bon moment, la voiture n’est pas là où vous voulez qu’elle soit, avec des conséquences négatives possibles. Dans cet esprit, les impulsions de commande – les pédales d’accélérateur et de frein – doivent être soigneusement coordonnées avec le véhicule. AQT diffère en ce que peu importe la durée pendant laquelle vous appuyez sur les pédales ou la force avec laquelle vous les appuyez: la voiture atterrit toujours au bon endroit. En conséquence, l’AQT a le potentiel d’améliorer le transfert d’informations entre les qubits, ce qui est essentiel pour la mise en réseau quantique et la correction d’erreurs.

Les chercheurs ont démontré l’efficacité de l’AQT en tirant parti de l’intrication – l’un des concepts de base de la physique quantique, dans lequel les propriétés d’une particule affectent les propriétés d’une autre particule, même lorsque les particules sont séparées par une grande distance. Avec l’AQT, les chercheurs ont pu transférer l’état de spin quantique d’un électron via une chaîne de quatre électrons dans des points quantiques semi-conducteurs – de minuscules semi-conducteurs nanométriques aux propriétés remarquables. Il s’agit de la plus longue chaîne sur laquelle un état de spin ait jamais été transmis, et elle est liée au record établi par les chercheurs dans une section précédente. nature Papier.

«Puisque l’AQT est robuste contre les erreurs d’impulsion et le bruit et joue un rôle important en raison de ses applications potentielles dans les ordinateurs quantiques, cette démonstration est une étape importante pour l’informatique quantique avec des qubits de spin», déclare Nichol.

Profiter d’un étrange état de la matière

Dans un second travail, les chercheurs ont démontré une autre technique de transfert d’informations entre qubits en utilisant un état exotique de la matière appelé cristaux de temps. Un cristal temporel est un état étrange de la matière dans lequel les interactions entre les particules qui composent le cristal peuvent stabiliser indéfiniment les vibrations du système. Imaginez une horloge qui tourne pour toujours. Le pendule de l’horloge oscille dans le temps, semblable au cristal de temps oscillant.

En mettant en œuvre une série d’impulsions de champ électrique sur des électrons, les chercheurs ont pu créer un état similaire à un cristal temporel. Ils ont découvert qu’ils pouvaient utiliser cet état pour améliorer le transfert de l’état de spin d’un électron dans une chaîne de points quantiques semi-conducteurs.

«Notre travail prend les premières mesures pour montrer comment des états étranges et exotiques de la matière tels que les cristaux de temps peuvent potentiellement être utilisés pour des applications de traitement de l’information quantique, comme le transfert d’informations entre qubits», déclare Nichol. « Nous montrons également théoriquement comment ce scénario peut implémenter d’autres opérations mono et multi-qubit qui peuvent améliorer les performances des ordinateurs quantiques. »

AQT et Time Crystals, bien que différents, peuvent être utilisés simultanément avec des systèmes informatiques quantiques pour améliorer les performances.

«Ces deux résultats illustrent les façons étranges et intéressantes que la physique quantique permet d’envoyer des informations d’un endroit à un autre. C’est l’un des plus grands défis dans la construction d’ordinateurs et de réseaux quantiques fonctionnels», déclare Nichol.


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Plus d’information:
Haifeng Qiao et coll. Swaps de spin améliorés Floquet, Communication de la nature (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-22415-6

Yadav P. Kandel et coll. Transfert d’état quantique adiabatique dans une chaîne de spin de points quantiques semi-conducteurs, Communication de la nature (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-22416-5

Yadav P. Kandel et coll. Transfert cohérent de l’état de spin via l’échange Heisenberg, nature (2019). DOI: 10.1038 / s41586-019-1566-8

Fourni par l’Université de Rochester

Citation: Les chercheurs font face à un obstacle majeur dans l’informatique quantique (5 mai 2021), consulté le 5 mai 2021 sur https://phys.org/news/2021-05-major-hurdle-quantum.html

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