Au cours de leurs recherches pour un nouvel article sur l'informatique quantique, HongWen Jiang, un professeur de physique à l'UCLA, et Joshua Schoenfield, un étudiant diplômé dans son laboratoire, s'est heurté à un problème récurrent :ils étaient tellement enthousiasmés par les progrès qu'ils faisaient que lorsqu'ils se sont connectés de chez eux à leur bureau UCLA - qui n'autorise qu'un seul utilisateur à la fois - les deux scientifiques se sont à plusieurs reprises coupés l'un de l'autre de la connexion à distance.

La raison de leur enthousiasme :Jiang et son équipe ont créé un moyen de mesurer et de contrôler les différences d'énergie des états de la vallée des électrons dans les points quantiques en silicium, qui sont un élément clé de la recherche en informatique quantique. Cette technique pourrait rapprocher l'informatique quantique de la réalité.

"C'est tellement excitant, " dit Jiang, membre du California NanoSystems Institute. "Nous ne voulions pas attendre le lendemain pour connaître le résultat."

L'informatique quantique pourrait permettre d'encoder des informations plus complexes sur des puces informatiques beaucoup plus petites, et il tient la promesse d'aller plus vite, une résolution de problèmes et des communications plus sécurisées que ne le permettent les ordinateurs d'aujourd'hui.

Dans les ordinateurs standards, les composants fondamentaux sont des commutateurs appelés bits, qui utilisent des 0 et des 1 pour indiquer qu'ils sont éteints ou allumés. Les blocs de construction des ordinateurs quantiques, d'autre part, sont des bits quantiques, ou qubits.

La percée des chercheurs de l'UCLA a été de pouvoir mesurer et contrôler un état spécifique d'une boîte quantique en silicium, connu comme un état de vallée, une propriété essentielle des qubits. La recherche a été publiée dans Communication Nature .

"Un qubit individuel peut exister dans un mélange ondulatoire complexe de l'état 0 et de l'état 1 en même temps, " dit Schoenfield, le premier auteur de l'article. "Résoudre des problèmes, les qubits doivent interférer les uns avec les autres comme des ondulations dans un étang. Il est donc essentiel de contrôler chaque aspect de leur nature ondulatoire."

Les points quantiques de silicium sont petits, régions de silicium confinées électriquement, seulement des dizaines de nanomètres de diamètre, qui peut piéger des électrons. Ils sont étudiés par le laboratoire de Jiang - et par des chercheurs du monde entier - pour leur utilisation possible dans l'informatique quantique, car ils permettent aux scientifiques de manipuler le spin et la charge des électrons.

Outre le spin et la charge des électrons, une autre de leurs propriétés les plus importantes est leur "état de vallée, " qui spécifie où un électron s'installera dans le paysage énergétique non plat de la structure cristalline du silicium. L'état de vallée représente un emplacement dans la quantité de mouvement de l'électron, par opposition à un emplacement physique réel.

Les scientifiques n'ont réalisé que récemment que le contrôle des états de vallée est essentiel pour le codage et l'analyse des qubits basés sur le silicium, car même les plus petites imperfections d'un cristal de silicium peuvent altérer les énergies des vallées de manière imprévisible.

« Imaginez-vous debout au sommet d'une montagne et regardant à gauche et à droite, remarquant que les vallées de chaque côté semblent être les mêmes, mais sachant qu'une vallée n'était qu'un centimètre plus profonde que l'autre, " a déclaré Blake Freeman, un étudiant diplômé de l'UCLA et co-auteur de l'étude. « En physique quantique, même cette petite différence est extrêmement importante pour notre capacité à contrôler les états de spin et de charge des électrons."

A des températures normales, les électrons rebondissent, ce qui rend difficile pour eux de se reposer dans le point d'énergie le plus bas de la vallée. Donc, pour mesurer la petite différence d'énergie entre deux états de vallée, les chercheurs de l'UCLA ont placé des points quantiques de silicium à l'intérieur d'une chambre de refroidissement à une température proche du zéro absolu, qui a permis aux électrons de s'installer. En tirant des impulsions électriques rapides de tension à travers eux, les scientifiques ont pu déplacer des électrons uniques dans et hors des vallées. La petite différence d'énergie entre les vallées a été déterminée en observant la vitesse de commutation rapide de l'électron entre les états de vallée.

Après avoir manipulé les électrons, les chercheurs ont utilisé un capteur à nanofils très près des électrons. La mesure de la résistance du fil leur a permis de mesurer la distance entre un électron et le fil, ce qui leur a permis de déterminer quelle vallée l'électron occupait.

La technique a également permis aux scientifiques, pour la première fois, mesurer la différence d'énergie extrêmement faible entre les deux vallées, ce qui était impossible avec toute autre méthode existante.

À l'avenir, les chercheurs espèrent utiliser des impulsions de tension et des conceptions de dispositifs plus sophistiquées pour obtenir un contrôle total sur plusieurs qubits basés sur la vallée en interaction.

"Le rêve est d'avoir un ensemble de centaines ou de milliers de qubits travaillant tous ensemble pour résoudre un problème difficile, " Schoenfield a déclaré. "Ce travail est une étape importante vers la réalisation de ce rêve."