Un nouvel ordinateur quantique brise pour la première fois le système binaire, les informations stockées dans les atomes de calcium

Pendant des décennies, le binaire a été la base des calculs informatiques, mais lorsqu'il s'agit d'ordinateurs quantiques, le système binaire les empêche d'atteindre leur véritable potentiel. Récemment, une équipe de scientifiques de l'Université d'Innsbruck, en Autriche, a réalisé un nouveau type d'ordinateur quantique qui a réussi à briser le modèle de calcul binaire et à utiliser ce que l'on appelle les « nombres quantiques » pour effectuer des calculs, libérant ainsi davantage d'ordinateurs quantiques avec moins d'ordinateurs quantiques. particules. Beaucoup de puissance de calcul.

Des chercheurs ont développé un ordinateur quantique qui exploite tout le potentiel des atomes de calcium en utilisant des qubits pour effectuer des calculs. Les recherches montrent que, contrairement à l'informatique classique, l'utilisation d'un plus grand nombre d'états quantiques ne réduit pas la fiabilité d'un ordinateur.

Nous savons tous que les ordinateurs utilisent 0 et 1 - c'est-à-dire des informations binaires - pour effectuer des calculs. Ce modèle a connu un tel succès que les ordinateurs alimentent désormais tout, des machines à café aux voitures autonomes, et il nous est difficile d'imaginer la vie sans eux.
S’appuyant sur ce succès, les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui sont également conçus en pensant au traitement binaire de l’information. "Cependant, un ordinateur quantique est composé de plus que des 0 et des 1", a expliqué le physicien expérimental Martin Ringbauer dans un communiqué publié par l'Université d'Innsbruck. "Les limiter aux systèmes binaires empêche ces appareils d'atteindre leur véritable potentiel."

Physicien quantique Martin Ringbauer dans le laboratoire.

Une équipe dirigée par Thomas Monz du Département de physique expérimentale de l'Université d'Innsbruck a développé avec succès un ordinateur quantique capable d'effectuer des calculs arbitraires à l'aide de ce que l'on appelle des « nombres quantiques » (qudits), le faisant ainsi en moins de temps. Les particules quantiques libèrent plus de puissance de calcul. La recherche a été récemment publiée dans la revue Nature Physics ().

(Les ordinateurs quantiques peuvent effectuer des calculs arbitraires en utilisant ce qu'on appelle des nombres quantiques, ou qubits. Cela peut libérer plus de puissance de calcul avec moins de particules quantiques. Les qubits sont les unités de base des ordinateurs quantiques, et dans l'informatique quantique correspondent aux nombres binaires dans l'informatique classique. Les qubits sont constitués de systèmes quantiques, tels que des électrons ou des photons. Mais c'est la manière la plus simple. La simplicité signifie aussi généralement la fiabilité et la robustesse aux erreurs, de sorte que les informations binaires sont devenues la norme impeccable pour les ordinateurs classiques.

L'ordinateur quantique d'Innsbruck stocke des informations dans des atomes de calcium individuels piégés, chacun ayant huit états, dont sept que les scientifiques ont utilisés pour les calculs.

Dans le monde quantique, la situation est très différente. Dans l’ordinateur quantique d’Innsbruck, par exemple, les informations sont stockées dans des atomes de calcium individuels piégés. Chacun de ces atomes possède naturellement huit états différents, dont seulement deux sont généralement utilisés pour stocker des informations. En fait, presque tous les ordinateurs quantiques existants peuvent atteindre beaucoup plus d’états quantiques qu’ils n’en utilisent pour les calculs.

Lors d'expériences, les chercheurs ont démontré un processeur quantique universel Qudit Ion Trap (TIQP) qui utilise la structure hiérarchique native de la chaîne de piégeage d'ions 40Ca+. Les expériences montrent que chaque ion 40Ca+ supporte intrinsèquement un Qudit à 8 niveaux d'énergie, avec un espace de Hilbert hautement connecté.

Diagramme du niveau d'énergie de l'ion 40Ca+. Les informations quantiques sont codées dans les états S1/2 et D5/2, où chaque transition entre S et D est accessible à l'aide d'un seul laser à bande étroite à 729 nm.

Application très naturelle

Ce nouvel ordinateur quantique peut exploiter tout le potentiel de ces atomes en calculant à l'aide de qudits. Contrairement au cas classique, utiliser plus d’états ne rend pas l’ordinateur moins fiable. "Les systèmes quantiques ont naturellement plus de deux états, et nous avons montré que nous pouvons tout aussi bien les contrôler", a déclaré Thomas Monz.

D'un autre côté, de nombreuses tâches qui nécessitent des ordinateurs quantiques, comme des problèmes de physique, de chimie ou de science des matériaux, s'expriment aussi naturellement dans le langage des qudits. Les réécrire en qubits est tout simplement trop complexe pour les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui. "L'utilisation de plus de 0 et 1 est très naturelle non seulement pour les ordinateurs quantiques mais aussi pour leurs applications, ce qui nous permet de libérer le véritable potentiel des systèmes quantiques", explique Martin Ringbauer.

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