Hundred-hertz quantum circuit iteration rate in a reusable neutral-atom array

La quête de la construction d'un ordinateur quantique pratique a conduit les scientifiques à explorer de nombreuses façons de maintenir et de contrôler les plus petites unités d'information, connues sous le nom de qubits. Une approche prometteuse utilise des atomes individuels, suspendus dans le vide par des faisceaux de lumière, pour agir comme ces qubits. Ces réseaux d'atomes neutres sont attractifs car ils peuvent être mis à l'échelle pour contenir des milliers d'atomes, et les atomes peuvent être déplacés avec une grande précision. Cependant, pendant des années, un goulot d'étranglement majeur a ralenti leurs progrès. Bien que les atomes eux-mêmes puissent être manipulés très rapidement, le processus de vérification de leur état et de préparation pour l'étape suivante était douloureusement lent. Traditionnellement, la lecture de l'état d'un atome nécessitait une méthode qui entraînait souvent l'éjection de l'atome de son piège ou l'échauffait tellement qu'il était perdu. Cela signifiait qu'après chaque calcul, les scientifiques devaient passer des centaines de millisecondes à recharger de nouveaux atomes et à les réorganiser, un processus qui limitait le nombre de calculs pouvant être effectués par seconde.

Une équipe de chercheurs a maintenant démontré un moyen de briser cette limite de vitesse, montrant qu'un processeur quantique à atomes neutres peut exécuter des calculs à un taux de cent fois par seconde. En conceissant un système capable de lire l'état d'un atome sans le détruire ou le perdre, l'équipe a permis d'utiliser le même groupe d'atomes de manière répétée et successive. Cette réussite fait passer la technologie d'un processus lent, étape par étape, à un flux de données à haute vitesse, rapprochant la performance des ordinateurs à base d'atomes des vitesses nécessaires pour des applications du monde réel.

L'expérience a été menée en utilisant un type spécifique d'atome, le rubidium-87, piégé dans une chambre à vide. Les chercheurs ont disposé dix de ces atomes en une seule ligne, les maintenant dans un minuscule faisceau de lumière focalisé appelé pince de lumière optique (optical tweezer). Pour effectuer un calcul, l'équipe refroidit d'abord les atomes et les place dans un état initial connu. Ils appliquent ensuite une série d'opérations, semblables à l'action de basculer un interrupteur, pour changer l'état des atomes. Le défi critique a toujours été l'étape finale : la lecture du résultat. Dans les anciens systèmes, ce processus de lecture consistait à projeter de la lumière sur les atomes pour les faire briller. Bien que cette lueur révèle l'état, la lumière pousse également les atomes, provoquant souvent leur évasion de leurs pièges. Si un atome est perdu, toute la séquence doit s'arrêter et le système doit repartir de zéro, gaspillant un temps précieux.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont construit une nouvelle sorte d'interface utilisant une puce spécialisée faite de verre. Cette puce agit comme un ensemble de minuscules tunnels invisibles qui collectent la lumière émise par chaque atome et la guide directement vers un détecteur. Parce que la lumière est collectée si efficacement, l'équipe peut déterminer l'état de l'atome en détectant très peu de photons. Cette approche douce signifie que les atomes restent frais et demeurent piégés. L'équipe a testé cela en exécutant une séquence de cent opérations identiques sur les mêmes dix atomes sans jamais les recharger. Ils ont constaté qu'après cent cycles, les atomes étaient toujours présents avec une probabilité de quatre-vingt-dix-neuf virgule sept pour cent. Ce taux de survie élevé signifiait que le système pouvait continuer à fonctionner sans les longues pauses requises pour recharger les atomes.

Le résultat fut une augmentation spectaculaire de la vitesse. L'équipe a atteint un taux de cent et un cycles de calcul par seconde, un chiffre connu sous le nom de taux d'itération de circuit quantique. Même après avoir pris en compte les cas rares où un atome était perdu et où les données devaient être écartées, la vitesse effective restait de soixante-quatorze virgule huit cycles par seconde. Pour donner une perspective, les systèmes précédents utilisant des atomes similaires étaient limités à moins de dix cycles par seconde. Les chercheurs ont également vérifié que les informations recueillies lors de ces cycles répétés étaient cohérentes et fiables. En combinant les données de l'ensemble des cent passages, ils ont pu mesurer le comportement des atomes avec une précision bien plus grande que ce qui serait possible à partir d'un seul passage.

Cette capacité de haute vitesse a permis à l'équipe d'effectuer un test standard de la qualité de l'ordinateur, connu sous le nom de benchmarking aléatoire (randomized benchmarking), en seulement treize minutes. Par le passé, effectuer ce même test sur un réseau de dix atomes aurait pris plusieurs heures à cause du lent processus de rechargement. L'expérience a montré que les atomes maintenaient un haut niveau de précision, les opérations étant correctes plus de quatre-vingt-dix-neuf pour cent du temps. Les chercheurs ont également démontré que leur méthode pouvait être optimisée pour obtenir les informations les plus utiles dans le laps de temps le plus court. En équilibrant la vitesse du processus de lecture avec la nécessité de protéger les atomes, ils ont trouvé un « point idéal » où le système pouvait recueillir des informations plus de dix fois plus vite que les méthodes conventionnelles, même si ces méthodes étaient parfaites par ailleurs.

Le succès de cette expérience repose sur une conception ingénieuse que les auteurs appellent une architecture « volcan », ce qui fait référence à la façon dont les chemins de lumière sont façonnés sur la puce pour mapper les atomes étroitement regroupés vers les détecteurs. Cette configuration permet de lire chaque atome individuellement et simultanément. Les chercheurs pensent qu'avec de nouvelles améliorations, telles qu'une meilleure collecte de lumière et des techniques de refroidissement plus rapides, cette vitesse pourrait éventuellement atteindre des milliers de cycles par seconde. Cela ouvrirait la porte à des calculs plus complexes et à la capacité de corriger les erreurs en temps réel, ce qui est essentiel pour construire des ordinateurs quantiques à grande échelle. Ce travail prouve qu'en changeant la façon dont nous lisons les atomes, plutôt qu'en essayant simplement d'améliorer les atomes eux-mêmes, nous pouvons débloquer un nouveau niveau de performance pour cette technologie.