La plus longue liaison quantique à micro-ondes
Des physiciens de l'ETH ont fait la démonstration de la plus longue liaison quantique par micro-ondes à ce jour, soit cinq mètres. Elle convient aussi bien aux futurs réseaux d'ordinateurs quantiques qu'aux expériences de recherche fondamentale en physique quantique.
La collaboration est essentielle - même dans le monde quantique. Pour pouvoir construire à l'avenir des ordinateurs quantiques performants, il sera nécessaire de réunir plusieurs petits ordinateurs quantiques en une sorte de cluster ou de réseau local (LAN). Comme de tels ordinateurs fonctionnent avec des états de superposition de la mécanique quantique qui contiennent simultanément les valeurs logiques "0" et "1", les connexions entre eux devraient également être des "connexions quantiques".
Avec ses cinq mètres, la plus longue liaison quantique basée sur les micro-ondes à ce jour se trouve depuis peu dans le laboratoire d'Andreas Wallraff, professeur au Quantum Device Lab de l'ETH Zurich. Les chercheurs devaient présenter leurs résultats ces jours-ci lors de la réunion annuelle de l'American Physical Society à Denver. En raison de la situation épidémique actuelle, cette conférence a été annulée à la dernière minute. En lieu et place, les scientifiques ont présenté leur rapport dans le cadre d'une page externeconférence virtuelle de remplacement sur leurs résultats.
"C'est déjà une étape importante pour nous", explique Wallraff, "car nous pouvons ainsi démontrer que les LAN quantiques sont en principe possibles. Dans les 10 à 20 prochaines années, les ordinateurs quantiques en seront probablement de plus en plus dépendants". Actuellement, il existe certes des ordinateurs avec quelques dizaines de bits quantiques ou qubits, mais plusieurs centaines de milliers d'entre eux ne peuvent guère être placés dans les appareillages existants. Cela s'explique notamment par le fait que les qubits basés sur des circuits électriques oscillants supraconducteurs, tels qu'ils sont utilisés dans les puces quantiques du laboratoire de Wallraff (et également par IBM et Google), doivent être refroidis à des températures proches du zéro absolu de -273,15 degrés Celsius. Cela permet de supprimer les perturbations thermiques qui feraient perdre aux états quantiques leur caractère superposé - c'est ce qu'on appelle la décohérence - et qui entraîneraient donc des erreurs dans les calculs quantiques.
Le froid extrême contre la décohérence
"Le défi consistait maintenant à relier deux de ces puces quantiques supraconductrices sur plusieurs mètres de manière à ce que les états de superposition puissent être échangés entre elles avec le moins de décohérence possible", explique Philipp Kurpiers, un ancien doctorant du groupe de travail de Wallraff. Cela se fait sous la forme de photons micro-ondes qui sont émis par un circuit oscillant supraconducteur et reçus par un autre. Entre les deux, ils traversent un guide d'ondes, c'est-à-dire une cavité métallique de quelques centimètres de large, qui doit également être fortement refroidie pour que les états quantiques des photons ne soient pas influencés.
Chacune des deux puces quantiques est ainsi refroidie pendant plusieurs jours dans un cryostat (un réfrigérateur extrêmement performant) à l'aide d'hélium comprimé et liquide, à quelques centièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Le guide d'ondes de cinq mètres de long qui assure la liaison quantique a été recouvert à cet effet d'une gaine composée de plusieurs couches de tôle de cuivre. Chacune de ces couches sert de bouclier thermique pour les différents niveaux de température du cryostat : -223 degrés, -269 degrés, -272 degrés et enfin -273,1 degrés. Au total, ces boucliers thermiques pèsent à eux seuls un bon quart de tonne.
Pas d'expérience "table top
"Il ne s'agit donc clairement plus d'une expérience 'table top' que l'on peut monter sur un petit établi", explique Wallraff. "Il y a beaucoup de travail de développement là-dedans, et l'ETH est un endroit idéal pour construire un appareillage aussi sophistiqué. C'est un peu comme un mini-Cern, que nous avons dû construire pendant des années pour pouvoir enfin faire des choses intéressantes avec". Outre les trois doctorants qui ont réalisé les expériences, plusieurs ingénieurs et techniciens des ateliers de l'ETH et de l'Institut Paul Scherrer (PSI) ont participé à la fabrication et à la construction du composé quantique.
Les physiciens de l'ETH ont non seulement pu montrer que la liaison quantique pouvait être suffisamment refroidie, mais aussi qu'elle permettait effectivement de transmettre de manière fiable des informations quantiques entre deux puces quantiques. Pour ce faire, ils créent un état d'intrication entre les deux puces via la liaison quantique. De tels états d'intrication, dans lesquels une mesure sur un qubit influence instantanément le résultat de la mesure sur un autre qubit, se prêtent également aux tests de la recherche fondamentale en mécanique quantique. Dans de tels tests de Bell, les qubits doivent être suffisamment éloignés les uns des autres pour que toute transmission d'informations à la vitesse de la lumière puisse être exclue.
Pendant que Wallraff et ses collaborateurs réalisent des expériences quantiques avec le nouveau composé, ils ont déjà commencé à travailler sur des composés quantiques encore plus longs. Il y a un an, ils étaient déjà parvenus à refroidir suffisamment un composé de dix mètres de long, sans toutefois réaliser d'expériences quantiques avec celui-ci. Ils travaillent maintenant sur une liaison quantique de 30 mètres, pour laquelle une salle a été spécialement aménagée à l'ETH.