Des physiciens « emmêlent » des molécules individuelles pour la première fois, accélérant ainsi les possibilités de l'informatique quantique

Pour la première fois, une équipe de physiciens de Princeton a réussi à relier des molécules individuelles dans des états spéciaux qui sont mécaniquement « intriqués » quantiquement. Dans ces états bizarres, les molécules restent corrélées les unes aux autres – et peuvent interagir simultanément – ​​même si elles sont distantes de plusieurs kilomètres, voire même si elles occupent des extrémités opposées de l’univers. Cette recherche a été récemment publiée dans la revue Science.

“Il s'agit d'une avancée majeure dans le monde des molécules en raison de l'importance fondamentale de l'intrication quantique”, a déclaré Lawrence Cheuk, professeur adjoint de physique à l'Université de Princeton et auteur principal de l'article. “Mais il s'agit également d'une avancée majeure pour les applications pratiques, car les molécules intriquées peuvent constituer les éléments constitutifs de nombreuses applications futures.”

Ceux-ci incluent, par exemple, des ordinateurs quantiques capables de résoudre certains problèmes beaucoup plus rapidement que les ordinateurs conventionnels, des simulateurs quantiques capables de modéliser des matériaux complexes dont les comportements sont difficiles à modéliser et des capteurs quantiques capables de mesurer plus rapidement que leurs homologues traditionnels.

“L'une des motivations pour faire de la science quantique est que dans le monde pratique, il s'avère que si l'on exploite les lois de la mécanique quantique, on peut faire beaucoup mieux dans de nombreux domaines”, a déclaré Connor Holland, étudiant diplômé en physique. département et co-auteur du travail.

La capacité des dispositifs quantiques à surpasser les dispositifs classiques est connue sous le nom d’« avantage quantique ». Et au cœur de l’avantage quantique se trouvent les principes de superposition et d’intrication quantique. Alors qu’un bit informatique classique peut prendre la valeur 0 ou 1, les bits quantiques, appelés qubits, peuvent être simultanément dans une superposition de 0 et 1.

Ce dernier concept, l'intrication, est une pierre angulaire majeure de la mécanique quantique et se produit lorsque deux particules deviennent inextricablement liées l'une à l'autre, de sorte que ce lien persiste, même si une particule est à des années-lumière de l'autre. C’est le phénomène qu’Albert Einstein, qui en doutait d’abord la validité, a décrit comme « une action effrayante à distance ».

Depuis lors, les physiciens ont démontré que l’intrication est en fait une description précise du monde physique et de la façon dont la réalité est structurée.

“L'intrication quantique est un concept fondamental”, a déclaré Cheuk, “mais c'est aussi l'ingrédient clé qui confère un avantage quantique”.

Mais créer un avantage quantique et parvenir à une intrication quantique contrôlable reste un défi, notamment parce que les ingénieurs et les scientifiques ne savent toujours pas quelle plate-forme physique est la meilleure pour créer des qubits.

Au cours des dernières décennies, de nombreuses technologies différentes, telles que les ions piégés, les photons et les circuits supraconducteurs, pour n'en citer que quelques-unes, ont été explorées comme candidates pour les ordinateurs et dispositifs quantiques. Le système quantique optimal ou la plate-forme de qubits pourrait très bien dépendre de l’application spécifique.

Cependant, jusqu’à cette expérience, les molécules défiaient depuis longtemps l’intrication quantique contrôlable. Mais Cheuk et ses collègues ont trouvé un moyen, grâce à une manipulation minutieuse en laboratoire, de contrôler des molécules individuelles et de les amener dans ces états quantiques imbriqués.

Ils pensaient également que les molécules présentaient certains avantages, par rapport aux atomes, par exemple, qui les rendaient particulièrement adaptées à certaines applications de traitement de l'information quantique et de simulation quantique de matériaux complexes. Par rapport aux atomes, par exemple, les molécules ont plus de degrés de liberté quantiques et peuvent interagir de nouvelles manières.

“Ce que cela signifie, en termes pratiques, c'est qu'il existe de nouvelles façons de stocker et de traiter l'information quantique”, a déclaré Yukai Lu, étudiant diplômé en génie électrique et informatique et co-auteur de l'article. “Par exemple, une molécule peut vibrer et tourner selon plusieurs modes. Ainsi, vous pouvez utiliser deux de ces modes pour coder un qubit. Si l'espèce moléculaire est polaire, deux molécules peuvent interagir même lorsqu'elles sont spatialement séparées.”

Néanmoins, les molécules se révèlent notoirement difficiles à contrôler en laboratoire en raison de leur complexité. Les degrés de liberté qui les rendent attrayants les rendent également difficiles à contrôler ou à encercler en laboratoire.

Cheuk et son équipe ont relevé bon nombre de ces défis grâce à une expérience soigneusement réfléchie. Ils ont d’abord choisi une espèce moléculaire à la fois polaire et pouvant être refroidie par laser. Ils ont ensuite refroidi les molécules au laser à des températures ultra-froides, où la mécanique quantique occupe une place centrale.

Les molécules individuelles étaient ensuite captées par un système complexe de faisceaux laser étroitement focalisés, appelés « pinces optiques ». En concevant les positions des pinces, ils ont pu créer de larges réseaux de molécules uniques et les positionner individuellement dans n’importe quelle configuration unidimensionnelle souhaitée. Par exemple, ils ont créé des paires isolées de molécules et des chaînes de molécules sans défauts.

Ensuite, ils ont codé un qubit dans un état non-rotatif et rotatif de la molécule. Ils ont pu montrer que ce qubit moléculaire restait cohérent ; c'est-à-dire qu'il se souvenait de sa superposition. En bref, les chercheurs ont démontré la capacité de créer des qubits bien contrôlés et cohérents à partir de molécules contrôlées individuellement.

Pour emmêler les molécules, il fallait les faire interagir. En utilisant une série d’impulsions micro-ondes, ils ont pu faire interagir des molécules individuelles les unes avec les autres de manière cohérente.

En permettant à l’interaction de se dérouler pendant une durée précise, ils ont pu mettre en œuvre une porte à deux qubits qui enchevêtrait deux molécules. Ceci est important car une telle porte enchevêtrée à deux qubits est un élément de base à la fois pour l’informatique quantique numérique universelle et pour la simulation de matériaux complexes.

Le potentiel de cette recherche pour étudier différents domaines de la science quantique est important, compte tenu des fonctionnalités innovantes offertes par cette nouvelle plate-forme de réseaux de pinces moléculaires. L’équipe de Princeton s’intéresse en particulier à l’exploration de la physique de nombreuses molécules en interaction, qui peuvent être utilisées pour simuler des systèmes quantiques à N corps dans lesquels des comportements émergents intéressants, tels que de nouvelles formes de magnétisme, peuvent apparaître.

“L'utilisation de molécules pour la science quantique constitue une nouvelle frontière, et notre démonstration de l'intrication à la demande est une étape clé pour démontrer que les molécules peuvent être utilisées comme plate-forme viable pour la science quantique”, a déclaré Cheuk.

Dans un article distinct publié dans le même numéro de Scienceun groupe de recherche indépendant dirigé par John Doyle et Kang-Kuen Ni de l'Université Harvard et Wolfgang Ketterle du Massachusetts Institute of Technology a obtenu des résultats similaires.

“Le fait qu'ils aient obtenu les mêmes résultats confirme la fiabilité de nos résultats”, a déclaré Cheuk. “Ils montrent également que les réseaux de pinces moléculaires deviennent une nouvelle plateforme passionnante pour la science quantique.”