Résumé :
L'équipe de recherche du sixième institut de physique de l'université de Stuttgart en Allemagne a annoncé avoir établi trois records du monde en même temps sur un système quantique spécial appelé « atome circulaire de Rydberg », comprenant la vie atomique, la taille atomique et le temps de rétention dans un piège laser. Les chercheurs pensent que cette avancée devrait promouvoir le développement de simulateurs quantiques hautes performances et jeter les bases de la construction d’ordinateurs quantiques plus puissants à l’avenir.
Les simulateurs quantiques peuvent reproduire le comportement de systèmes quantiques complexes dans un environnement contrôlé et constituent une plate-forme importante pour explorer de nouveaux phénomènes quantiques et vérifier la technologie informatique quantique. Les atomes de Rydberg ont longtemps été considérés comme des unités candidates prometteuses dans les domaines de la simulation quantique et de l’informatique quantique. Cependant, ils sont extrêmement sensibles à l’environnement et ne peuvent souvent rester stables que pendant très peu de temps. C’est également devenu l’un des principaux obstacles limitant le développement de technologies connexes.
Tilman Pfau, chef de l'équipe de recherche, a déclaré que l'amélioration de la stabilité des atomes de Rydberg a toujours été un défi majeur dans le développement de simulateurs quantiques hautes performances. L’équipe a réussi à augmenter le temps de stabilité atomique jusqu’à 20 fois le niveau précédent, créant ainsi des conditions plus favorables pour les applications ultérieures de la technologie quantique.
L'atome dit de Rydberg fait référence à une structure atomique dans laquelle les électrons sont excités vers des orbites à haute énergie éloignées du noyau. La distance entre les électrons et le noyau étant considérablement augmentée, la taille de ces atomes peut atteindre des milliers de fois celle des atomes ordinaires. La plus grande taille permet des interactions quantiques avec les atomes voisins sur de plus grandes distances, une propriété importante pour la construction et le contrôle de systèmes quantiques.
Les chercheurs ont déclaré que la distance d'interaction entre les atomes de Rydberg peut atteindre environ 5 microns, soit environ un dixième de l'épaisseur d'un cheveu humain. Bien qu’elle soit encore extrêmement petite à l’échelle quotidienne, elle est déjà bien loin dans le monde atomique. C’est l’une des raisons pour lesquelles la technologie quantique des atomes neutres favorise les atomes de Rydberg. Ce type de technologie permet le traitement de l'information quantique en piégeant et en manipulant des atomes non chargés avec des faisceaux laser.
Cette fois, l'objet des recherches de l'équipe concerne les atomes circulaires de Rydberg. Dans cet état, les électrons excités se déplacent sur une orbite presque circulaire autour du noyau. Dans l'expérience, les chercheurs ont réussi à construire une orbite électronique d'un diamètre d'environ 1,1 microns, soit environ 10 000 fois plus grande que l'orbite électronique des atomes ordinaires.
Pour atteindre cet objectif, l'équipe a développé une plate-forme expérimentale spéciale pour créer des atomes géants extrêmement stables à température ambiante en supprimant les interférences du rayonnement du corps noir dans l'environnement. Dans le passé, des expériences similaires nécessitaient souvent des environnements à très basse température coûteux et complexes, mais cette réalisation a été réalisée dans des conditions plus douces, améliorant encore le caractère pratique de la technologie.
Au cours de l'expérience, les chercheurs ont réussi à établir trois records internationaux. Premièrement, ils ont mesuré la durée de vie la plus longue jamais enregistrée pour un seul atome rond de Rydberg. En contrôlant les électrons excités pour qu'ils se déplacent le long d'une orbite circulaire stable, les atomes restent dans un état stable pendant 11 millisecondes, ce qui est plus de 20 fois supérieur à l'état similaire précédent dans l'espace libre.
Deuxièmement, l'équipe de recherche a créé le plus grand atome Rydberg circulaire contrôlable à ce jour, avec une orbite électronique atteignant environ 1,1 microns, établissant un nouveau record dans des domaines connexes.
Le troisième enregistrement date de l'époque de la capture atomique dans des pincettes optiques laser. Les chercheurs ont utilisé des faisceaux laser pour maintenir ces atomes géants dans le piège pendant 133 millisecondes, établissant ainsi un nouveau record du monde.
Les chercheurs ont souligné que les atomes ronds de Rydberg ont non seulement une durée de vie plus longue, mais sont également plus stables aux perturbations externes, tout en conservant l'avantage important de la forte interaction des atomes de Rydberg. Ces caractéristiques en font un candidat idéal pour les futurs simulateurs quantiques et plates-formes informatiques quantiques.
À mesure que la recherche sur l'informatique quantique continue de progresser, l'industrie estime généralement que les futurs dispositifs quantiques pratiques doivent présenter une stabilité élevée, de faibles taux d'erreur et une forte évolutivité. Les résultats obtenus par l'Université de Stuttgart prouvent pour la première fois que les atomes circulaires de Rydberg peuvent atteindre un contrôle stable à long terme à température ambiante, ce qui devrait réduire considérablement le problème d'accumulation d'erreurs dans les opérations quantiques.
L'équipe de recherche a déclaré que la prochaine étape consistera à essayer de construire un système quantique programmable composé de plusieurs atomes de Rydberg circulaires afin d'explorer davantage son potentiel d'application pratique dans la simulation quantique et l'informatique quantique. À mesure que la technologie de contrôle de ces « atomes géants » continue de progresser, les ordinateurs quantiques pourraient faire un pas de plus vers des performances plus élevées et un fonctionnement à plus grande échelle.
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