Lecture et manipulation optiques non destructives d’atomes de Rydberg circulaires

L’équipe Atomes de Rydberg réalise une plateforme quantique hybride permettant la détection optique non-destructive et la manipulation individuelle d’atomes de Rydberg circulaires. Ces résultats lèvent le verrou à l’utilisation de ces qubits idéaux, combinant fortes interactions et longue durée de vie, dans des calculateurs quantiques et ouvrent la voie vers des simulations quantiques de longue durée.

Les plateformes de calcul ou de simulation quantique s’appuient sur des systèmes quantiques individuels porteurs d’information, les qubits, qui peuvent occuper l’état 0, 1, ou toute superposition quantique de ces deux états. Idéalement, ces systèmes doivent pouvoir être manipulés et mesurés individuellement, être de longue durée de vie et interagir fortement entre eux.

Les atomes de Rydberg, c’est-à-dire des atomes préparés dans des niveaux très excités, remplissent assez bien ces critères et ont conduit récemment à des résultats spectaculaires, le plus souvent avec des niveaux accessibles par excitation laser de l’état fondamental. Ce couplage optique permet un contrôle individuel des atomes, piégés dans des pinces optiques et organisés sous la forme d’un réseau de forme arbitraire. Mais le temps de calcul ou de simulation est jusqu’à présent limité par la durée de vie de ces niveaux de Rydberg ordinaires. On peut songer à utiliser plutôt des atomes de Rydberg dit « circulaires« , dont la durée de vie est au moins 100 fois plus grande, mais ces atomes exotiques sont totalement insensibles à la lumière, ce qui rend leur manipulation et leur détection difficiles.

Nous explorons dans cet article une plateforme hybride qui lèvent pour la première fois ce verrou technologique. Elle encode les qubits de données dans des niveaux de Rydberg circulaires et les couple à des atomes auxiliaires excités de manière transitoire vers un niveau de Rydberg ordinaire bien choisi. La forte interaction dipôle-dipôle entre ces deux atomes permet la mesure quantique non destructive de l’état des qubits circulaires individuels. Nous transcrivons pour cela l’état du qubit sur celui de l’atome auxiliaire, dont l’état est finalement lu par fluorescence optique. Inversement, nous manipulons optiquement l’état des qubits circulaires en lui imprimant l’état d’un atome auxiliaire, contrôlé par laser.

Notre plateforme promet d’améliorer considérablement les performances des simulateurs quantiques fondés sur les atomes de Rydberg. Elle ouvre la voie vers la simulation quantique de longue durée, permettant d’observer la dynamique de systèmes quantiques complexes ou d’étudier des phénomènes lents, hors d’atteinte des simulateurs actuels et particulièrement difficiles à simuler numériquement.

Pour en savoir plus arXiv.org : https://arxiv.org/abs/2509.24691

Machu, Y., Durán-Hernández, A., Creutzer, G., Young, A. A., Raimond, J., Brune, M., & Sayrin, C. (2025, 29 septembre). Non-destructive optical read-out and manipulation of circular Rydberg atoms.