Simulateur quantique à atomes de Rydberg circulaires du strontium – SCiRQ

La simulation quantique est l'une des technologies quantiques les plus avancées. Parmi les montages développés au cours des dernières années, les réseaux d'atomes de Rydberg sont l'une des plateformes les plus (sinon la plus) avancées. Les systèmes basés sur le réseau d'atomes alcalins de Rydberg peuvent émuler un hamiltonien de spin arbitraire avec jusqu'à 200 particules, bien au-delà des capacités d'un ordinateur classique. Cependant, la durée de la simulation est actuellement limitée à quelques microsecondes par la durée de vie des états de Rydberg de faible moment cinétique accessibles par laser. Le passage à des états de Rydberg circulaires, qui ont une durée de vie beaucoup plus longue, permettrait de dépasser cette limite. Cependant, les atomes circulaires alcalins sont difficiles à manipuler avec la lumière optique.

L'objectif à long terme du projet SCiRQ est de développer un simulateur quantique basé sur des états circulaires du strontium. Les états de Rydberg des éléments alcalino-terreux ont un cœur ionique optiquement actif qui peut être utilisé pour manipuler l'atome. Le système proposé offrira de nombreux avantages par rapport aux plates-formes existantes utilisant des alcalins. Le deuxième électron de valence permet de piéger un atome avec un simple faisceau gaussien en utilisant la polarisabilité du cœur ionique. La diffusion de photons sur la transition du cœur va permettre de détecter les atomes de Rydberg en détectant leur fluorescence sur une caméra, alors que, dans la plupart des simulateurs, les états de Rydberg sont détectés comme une perte d'atome qui conduit à l’absence de signal sur l'image finale. Le deuxième électron fournira également un moyen de refroidir le mouvement de l'atome circulaire de Rydberg, limitant le chauffage du réseau survenant pendant la simulation. Le couplage électrostatique résiduel entre les deux électrons de valence peut aussi être utilisé pour manipuler l'état de l'électron de Rydberg à l'aide d'une lumière laser interagissant avec le cœur ionique, afin d’effectuer des opérations locales sur un site donné du réseau avec une résolution spatiale micrométrique. Le couplage entre les deux électrons, combiné aux techniques développées pour les expériences de piège à ions, ouvre également la voie à l'encodage de l'état de l'atome de Rydberg dans l'un des états métastables du cœur afin que la fluorescence de l’atome permette de mesurer l'état de Rydberg circulaire.
Dans le cadre du projet SCiRQ, les deux partenaires LKB et LIDYL associeront l'expertise expérimentale du LKB à la connaissance théorique approfondie des atomes à deux électrons du LIDYL afin de préparer un réseau d'atomes de Rydberg circulaires de strontium piégés. Au cours des quatre prochaines années, nous voulons démontrer quatre fonctionnalités clés (piégeage, refroidissement, adressage individuel, détection) qui montreront le potentiel de cet atome pour la simulation quantique.
Chaque pince piègera un électron de Rydberg dans un état circulaire avec en son centre un ion Sr+, auquel il sera couplé par interaction électrostatique. Le simulateur bénéficiera à la fois de la flexibilité des atomes de Rydberg et de la richesse des techniques des ions, fusionnant en un seul système les avantages de deux des plateformes les plus avancées qui existent aujourd'hui. Le projet aura également un impact au-delà de la collaboration LKB-LIDYL. L'expertise développée pour la préparation des états circulaires du strontium bénéficiera à de nombreux domaines de la technologie quantique. Le couplage de l'électron de Rydberg au cœur ionique permet d'utiliser la transition d'horloge de l'ion Sr+ comme mémoire quantique pour stocker l'état du qubit de Rydberg. Cela ouvre également la voie à l'utilisation d'atomes de Rydberg circulaires pour la conversion cohérente de photons micro-ondes en photons optiques. Les adaptations à température ambiante de l'expérience offrent des perspectives intéressantes pour la métrologie quantique.