Vive l'ytterbium !
La découverte d'états métastables de longue durée chez les ions piégés ouvre de nouvelles perspectives pour l'informatique quantique et les horloges atomiques
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Des chercheurs des universités d’Amsterdam et de Nouvelle-Galles du Sud ont apporté une réponse à une question qui se posait depuis des décennies : les ions du métal ytterbium peuvent-ils atteindre certains états de longue durée et quasi stables, et si oui, pendant combien de temps ? Les états de longue durée mis en évidence pourraient trouver des applications dans les ordinateurs quantiques et les horloges atomiques.
Deux ions Yb⁺ sont piégés dans un piège à ions. L'un des ions est excité vers des états métastables à l'aide d'un faisceau laser focalisé. L'autre ion émet en continu de la fluorescence et sert à signaler la présence de l'ion « sombre » dans l'état métastable grâce à sa position décentrée dans le piège à ions. La durée de vie de l'état métastable est mesurée en enregistrant le moment où l'ion « sombre » recommence à émettre de la fluorescence.
UVA IoP
De nombreuses horloges atomiques et ordinateurs quantiques modernes reposent sur ce que l’on appelle des « ions piégés ». Les ions, qui sont des atomes chargés électriquement, peuvent se trouver dans de nombreux états différents, chacun correspondant à un niveau d’énergie distinct. Grâce à leur charge, ces ions peuvent être suspendus dans l’espace et maintenus en place à l’aide de champs électromagnétiques. Le fonctionnement de l’horloge ou de l’ordinateur repose alors sur le contrôle précis de l’état d’énergie occupé par un tel ion.
Des chercheurs des universités d’Amsterdam et de Nouvelle-Galles du Sud viennent de découvrir que l’ion ytterbium (Yb⁺), l’un des principaux candidats pour ces deux technologies, peut rester dans des états jusqu’alors inexplorés pendant des durées étonnamment longues. Dans le laboratoire de René Gerritsma à l’Institut de physique de l’UvA, l’équipe a propulsé un seul ion Yb⁺ dans divers états dits métastables (c’est-à-dire quasi-stables), en l’excitant au laser jusqu’à un niveau d’énergie élevé. De là, l’ion s’est désintégré vers des états de plus basse énergie, dont certains se sont également révélés métastables, de sorte qu’il lui fallait beaucoup de temps pour revenir à son état fondamental. De cette manière, l’équipe a mesuré des signaux de désintégration correspondant à des durées de vie d’environ 1 seconde et 10 secondes, et a même trouvé des preuves de l’existence d’un état dont la durée de vie dépasse 30 secondes. Ces résultats ont récemment été publiés dans la revue Physical Review A.
Zeger Ackerman, doctorant et premier auteur de la publication, explique : « Pour rendre ces mesures possibles, nous n’avons pas simplement piégé un seul ion, mais deux ions ensemble. L’un d’entre eux servait aux mesures spectroscopiques, tandis que l’autre permettait de refroidir et de stabiliser le système en continu sans perturber l’état métastable étudié. Cela nous a permis d’observer l’ion rester dans un état métastable et de chronométrer précisément sa désintégration. Des calculs détaillés de la structure atomique ont ensuite confirmé les résultats des mesures. »
Les états récemment caractérisés pourraient trouver des applications dans l’informatique quantique et les horloges atomiques. Les chercheurs sont particulièrement enthousiastes à propos de l’état dont la durée de vie est d’une seconde. Les calculs montrent qu’il peut être atteint à partir de l’état fondamental relativement facilement, à l’aide d’une seule impulsion laser. La durée de vie d’une seconde et l’intensité prévue de la transition suggèrent qu’il pourrait être utilisé pour améliorer considérablement la détection des états des bits quantiques (qubits) et de leurs analogues généralisés (appelés « qudits ») dans les ions ytterbium.
En ce qui concerne cet état particulier, ces travaux apportent une réponse à une question posée il y a trente-cinq ans par les physiciens théoriciens Fawcett et Wilson, qui avaient prédit une durée de vie de 5,2 secondes pour ce même état et demandé une confirmation expérimentale. Compte tenu de la complexité de la structure des niveaux d’énergie de l’Yb⁺, leur prédiction s’est avérée très proche de la réalité !
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