Piège à ions monolithique : ions lourds pour la simulation quantique

La première version de l'appareil a brillé. Taillé dans un bloc de silice fondue, il s'est mis à luire dans le vide dès que la haute tension radiofréquence a été appliquée, signe que la chaleur et l'électricité étaient mal gérées. Abhishek Menon, doctorant à l'université Rice et auteur correspondant de l'étude, a qualifié ce premier échec de « prometteur et instructif ». Le piège n'est devenu viable qu'à sa troisième génération.

Les simulateurs à ions piégés maintiennent en place une rangée d'atomes chargés, ou ions, à l'aide de champs électriques à l'intérieur d'un piège à ions. Des lasers font interagir les ions afin qu'ils imitent un système quantique choisi par les chercheurs, et l'information encodée par les ions révèle les propriétés de ce système. Cela importe pour des systèmes si complexes que même les supercalculateurs les plus puissants peinent à les simuler. Les pièges à ions s'étaient longtemps répartis en deux camps. Les pièges à lames offrent des performances élevées, mais sont assemblés à la main, ce qui limite leur précision géométrique et les rend difficiles à reproduire. Les pièges sur puce microfabriquée sont précis et faciles à reproduire, mais ils sont moins performants à bien des égards. Les pièges tridimensionnels monolithiques visaient à combiner les deux, mais jusqu'à présent ils ne pouvaient fonctionner qu'avec des ions légers, comme le calcium.

La conception de l'équipe cible des ions plus lourds, comme l'ytterbium. Les canaux destinés aux ions et les tranchées destinées aux électrodes ont été découpés dans le verre à l'aide de lasers et de produits chimiques, puis le piège a été recouvert d'or pulvérisé. Les tranchées isolent les électrodes, ce qui les empêche de se court-circuiter pendant le revêtement et de subir un claquage diélectrique, une défaillance électrique, sous haute tension dans le vide. La troisième génération a ajouté un meilleur dissipateur thermique pour évacuer la chaleur, a réduit le micromouvement axial des ions et a utilisé un traitement de surface par plasma pour contribuer à diminuer les taux de chauffage des ions. La partie la plus délicate a consisté à concilier un espacement plus large entre les ions, une basse tension et un échauffement acceptable, sans perdre les qualités qui rendent le piège utile en laboratoire.

Les pièges ont été testés individuellement dans le laboratoire de Pagano et à l'université Duke. L'équipe a confirmé qu'ils fonctionnaient comme prévu et que leur comportement concordait avec les simulations informatiques antérieures. Il s'agit des mesures propres à l'équipe, publiées dans Physical Review Applied ; le rapport ne cite aucun groupe indépendant qui les aurait reproduites.

Les premiers bénéficiaires sont les laboratoires universitaires. Roman Zhuravel, auteur principal et professeur chercheur assistant dans le laboratoire de Pagano, a déclaré que le piège monolithique rend les simulateurs à ions piégés « plus accessibles aux laboratoires universitaires ». Les chercheurs peuvent simplifier un problème quantique difficile en un problème qu'ils savent résoudre, puis transposer le résultat au problème plus vaste. Pagano prend pour exemple le transfert de charge dans la photosynthèse. Le rapport ne donne aucun calendrier de disponibilité plus large, aucun prix et ne cite aucun client commercial ; Translume Inc. n'apparaît qu'en tant que partenaire.