Dans une étape qui rapproche les ordinateurs quantiques à base de silicium de la réalité, Des chercheurs de l'Université de Princeton ont construit un dispositif dans lequel un seul électron peut transmettre ses informations quantiques à une particule de lumière. La particule de lumière, ou photon, peut alors agir comme un messager pour transmettre l'information à d'autres électrons, créer des connexions qui forment les circuits d'un ordinateur quantique.

La recherche, publié dans la revue Science et menée aux laboratoires de Princeton et HRL à Malibu, Californie, représente un effort de plus de cinq ans pour construire une capacité robuste pour qu'un électron parle à un photon, dit Jason Petta, un professeur de physique de Princeton.

"Tout comme dans les interactions humaines, pour avoir une bonne communication, un certain nombre de choses doivent s'arranger—il est utile de parler la même langue et ainsi de suite, " dit Petta. " Nous sommes capables de faire entrer l'énergie de l'état électronique en résonance avec la particule lumineuse, pour que les deux puissent se parler."

La découverte aidera les chercheurs à utiliser la lumière pour relier des électrons individuels, qui agissent comme les bits, ou les plus petites unités de données, dans un ordinateur quantique. Les ordinateurs quantiques sont des appareils avancés qui, une fois réalisé, sera capable d'effectuer des calculs avancés en utilisant de minuscules particules telles que des électrons, qui suivent des règles quantiques plutôt que les lois physiques du monde de tous les jours.

Chaque bit dans un ordinateur de tous les jours peut avoir une valeur de 0 ou de 1. Les bits quantiques, appelés qubits, peuvent être à l'état 0, 1, ou à la fois un 0 et un 1 simultanément. Cette superposition, comme on le sait, permet aux ordinateurs quantiques d'aborder des questions complexes que les ordinateurs d'aujourd'hui ne peuvent pas résoudre.

Des ordinateurs quantiques simples ont déjà été fabriqués à l'aide d'ions piégés et de supraconducteurs, mais les défis techniques ont ralenti le développement de dispositifs quantiques à base de silicium. Le silicium est un matériau très attractif car il est peu coûteux et est déjà largement utilisé dans les smartphones et les ordinateurs d'aujourd'hui.

Les chercheurs ont piégé à la fois un électron et un photon dans l'appareil, ensuite ajusté l'énergie de l'électron de telle sorte que l'information quantique puisse être transférée au photon. Ce couplage permet au photon de transporter l'information d'un qubit à un autre situé jusqu'à un centimètre de distance.

L'information quantique est extrêmement fragile, elle peut être entièrement perdue à la moindre perturbation de l'environnement. Les photons sont plus robustes contre les perturbations et peuvent potentiellement transporter des informations quantiques non seulement de qubit à qubit dans un circuit informatique quantique, mais également entre des puces quantiques via des câbles.

Pour que ces deux types de particules très différents se parlent, cependant, les chercheurs ont dû construire un appareil offrant le bon environnement. D'abord, Peter Deelman des Laboratoires HRL, un laboratoire de recherche et développement d'entreprise détenu par la société Boeing et General Motors, a fabriqué la puce semi-conductrice à partir de couches de silicium et de silicium-germanium. Cette structure emprisonne une seule couche d'électrons sous la surface de la puce. Prochain, les chercheurs de Princeton ont posé de minuscules fils, chacun juste une fraction de la largeur d'un cheveu humain, sur le dessus de l'appareil. Ces fils de taille nanométrique ont permis aux chercheurs de fournir des tensions qui ont créé un paysage énergétique capable de piéger un seul électron, le confiner dans une région du silicium appelée double boîte quantique.

Les chercheurs ont utilisé ces mêmes fils pour ajuster le niveau d'énergie de l'électron piégé pour qu'il corresponde à celui du photon, qui est piégé dans une cavité supraconductrice qui est fabriquée au-dessus de la plaquette de silicium.

Avant cette découverte, les qubits semi-conducteurs ne pouvaient être couplés qu'à des qubits voisins. En utilisant la lumière pour coupler les qubits, il peut être possible de transmettre des informations entre les qubits aux extrémités opposées d'une puce.

L'information quantique de l'électron ne consiste en rien de plus que l'emplacement de l'électron dans l'une des deux poches d'énergie de la double boîte quantique. L'électron peut occuper l'une ou l'autre poche, ou les deux simultanément. En contrôlant les tensions appliquées à l'appareil, les chercheurs peuvent contrôler quelle poche l'électron occupe.

"Nous avons maintenant la capacité de transmettre réellement l'état quantique à un photon confiné dans la cavité, " dit Xiao Mi, un étudiant diplômé du département de physique de Princeton et premier auteur de l'article. "Cela n'a jamais été fait auparavant dans un dispositif à semi-conducteurs car l'état quantique a été perdu avant qu'il ne puisse transférer ses informations."

Le succès de l'appareil est dû à une nouvelle conception de circuit qui rapproche les fils du qubit et réduit les interférences provenant d'autres sources de rayonnement électromagnétique. Pour réduire ce bruit, les chercheurs ont installé des filtres qui éliminent les signaux parasites des fils qui mènent à l'appareil. Les fils métalliques protègent également le qubit. Par conséquent, les qubits sont 100 à 1000 fois moins bruyants que ceux utilisés dans les expériences précédentes.

À terme, les chercheurs prévoient d'étendre le dispositif pour qu'il fonctionne avec une propriété intrinsèque de l'électron connue sous le nom de spin. "À long terme, nous voulons des systèmes où le spin et la charge sont couplés pour créer un qubit de spin qui peut être contrôlé électriquement, " a déclaré Petta. "Nous avons montré que nous pouvons coupler de manière cohérente un électron à la lumière, et c'est une étape importante vers le couplage du spin à la lumière."

David Di Vincenzo, physicien à l'Institute for Quantum Information de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle en Allemagne, qui n'a pas participé à la recherche, est l'auteur d'un article influent de 1996 décrivant cinq exigences minimales nécessaires à la création d'un ordinateur quantique. Du travail de Princeton-HRL, dans laquelle il n'a pas été impliqué, DiVincenzo a déclaré :« Cela a été une longue lutte pour trouver la bonne combinaison de conditions qui permettrait d'atteindre la condition de couplage fort pour un qubit à un seul électron. Je suis heureux de voir qu'une région de l'espace des paramètres a été trouvée où le système peut aller. pour la première fois en territoire de couplage fort."