Des ingénieurs de l'Université australienne de Nouvelle-Galles du Sud ont inventé une nouvelle architecture radicale pour l'informatique quantique, basé sur de nouveaux "qubits flip-flop", qui promet de rendre la fabrication à grande échelle de puces quantiques considérablement moins chère - et plus facile - qu'on ne le pensait possible.

La nouvelle conception de puce, détaillé dans le journal Communication Nature , permet un processeur quantique au silicium qui peut être mis à l'échelle sans le placement précis des atomes requis dans d'autres approches. Surtout, il permet aux bits quantiques (ou « qubits ») - l'unité d'information de base dans un ordinateur quantique - d'être séparés par des centaines de nanomètres et de rester couplés.

Le design a été conçu par une équipe dirigée par Andrea Morello, Responsable de programme au Centre d'excellence ARC pour le calcul quantique et la technologie de communication (CQC2T) basé à l'UNSW à Sydney, qui a dit que la fabrication du nouveau design devrait être facilement à la portée de la technologie d'aujourd'hui.

Auteur principal Guilherme Tosi, chercheur au CQC2T, développé le concept pionnier avec Morello et les co-auteurs Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt et Stefanie Tenberg du CQC2T, avec les collaborateurs Rajib Rahman et Gerhard Klimeck de l'Université Purdue aux États-Unis.

"C'est un design brillant, et comme beaucoup de ces sauts conceptuels, c'est incroyable que personne n'y ait pensé avant, " dit Morello.

"Ce que Guilherme et son équipe ont inventé, c'est une nouvelle façon de définir un 'spin qubit' qui utilise à la fois l'électron et le noyau de l'atome. ce nouveau qubit peut être contrôlé à l'aide de signaux électriques, au lieu de magnétiques. Les signaux électriques sont nettement plus faciles à distribuer et à localiser au sein d'une puce électronique."

Tosi a déclaré que la conception évite un défi auquel tous les qubits de silicium basés sur le spin devaient être confrontés alors que les équipes commencent à construire des réseaux de qubits de plus en plus grands :la nécessité de les espacer à une distance de seulement 10-20 nanomètres, ou à seulement 50 atomes d'intervalle.

"S'ils sont trop près, ou trop éloignés, l'"intrication" entre les bits quantiques - ce qui rend les ordinateurs quantiques si spéciaux - ne se produit pas, " dit Tosi.

Les chercheurs de l'UNSW sont déjà à la pointe du monde dans la fabrication de qubits de spin à cette échelle, dit Morello. "Mais si nous voulons faire un tableau de milliers ou de millions de qubits si proches les uns des autres, cela signifie que toutes les lignes de contrôle, l'électronique de commande et les dispositifs de lecture doivent également être fabriqués à cette échelle nanométrique, et avec ce pas et cette densité d'électrodes. Ce nouveau concept suggère une autre voie."

A l'autre extrémité du spectre se trouvent les circuits supraconducteurs - poursuivis par exemple par IBM et Google - et les pièges à ions. Ces systèmes sont volumineux et plus faciles à fabriquer, et sont actuellement à la pointe du nombre de qubits pouvant être exploités. Cependant, en raison de leurs plus grandes dimensions, à long terme, ils peuvent être confrontés à des défis lorsqu'ils essaient d'assembler et d'exploiter des millions de qubits, comme l'exigent les algorithmes quantiques les plus utiles.

« Notre nouvelle approche basée sur le silicium se situe juste au bon endroit, " dit Morello, professeur d'ingénierie quantique à l'UNSW. "C'est plus facile à fabriquer que des appareils à l'échelle atomique, mais nous permet quand même de placer un million de qubits sur un millimètre carré."

Dans le qubit à un seul atome utilisé par l'équipe de Morello, et quel nouveau design de Tosi s'applique, une puce de silicium est recouverte d'une couche d'oxyde de silicium isolant, au-dessus de laquelle repose un motif d'électrodes métalliques qui fonctionnent à des températures proches du zéro absolu et en présence d'un très fort champ magnétique.

Au cœur se trouve un atome de phosphore, à partir de laquelle l'équipe de Morello a précédemment construit deux qubits fonctionnels en utilisant un électron et le noyau de l'atome. Ces qubits, pris individuellement, ont démontré des temps de cohérence record du monde.

La percée conceptuelle de Tosi est la création d'un tout nouveau type de qubit, utilisant à la fois le noyau et l'électron. Dans cette approche, un état qubit '0' est défini lorsque le spin de l'électron est bas et le spin du noyau est haut, tandis que l'état '1' correspond à l'augmentation du spin de l'électron, et le spin nucléaire est en panne.

"Nous l'appelons le qubit 'flip-flop', " dit Tosi. " Pour faire fonctionner ce qubit, vous devez éloigner un peu l'électron du noyau, en utilisant les électrodes du haut. En faisant cela, vous créez également un dipôle électrique."

"C'est le point crucial, " ajoute Morello. "Ces dipôles électriques interagissent entre eux sur des distances assez grandes, une bonne fraction de micron, ou 1, 000 nanomètres.

"Cela signifie que nous pouvons maintenant placer les qubits à un seul atome beaucoup plus loin qu'on ne le pensait auparavant, " a-t-il poursuivi. " Il y a donc beaucoup d'espace pour intercaler les composants classiques clés tels que les interconnexions, électrodes de commande et dispositifs de lecture, tout en conservant la nature atomique précise du bit quantique."

Morello a qualifié le concept de Tosi d'aussi important que l'article fondateur de Bruce Kane de 1998 dans La nature . Kane, puis associé de recherche principal à l'UNSW, a découvert une nouvelle architecture qui pourrait faire d'un ordinateur quantique à base de silicium une réalité - déclenchant la course de l'Australie pour construire un ordinateur quantique.

"Comme le papier de Kane, c'est une théorie, une proposition - le qubit n'a pas encore été construit, " a déclaré Morello. "Nous avons des données expérimentales préliminaires qui suggèrent que c'est tout à fait faisable, nous travaillons donc à le démontrer pleinement. Mais je pense que c'est aussi visionnaire que l'article original de Kane."

La construction d'un ordinateur quantique a été appelée la « course à l'espace du 21e siècle » - un défi difficile et ambitieux avec le potentiel de fournir des outils révolutionnaires pour s'attaquer à des calculs autrement impossibles, avec une multitude d'applications utiles dans le domaine de la santé, la défense, la finance, développement de la chimie et des matériaux, débogage du logiciel, l'aérospatiale et les transports. Sa vitesse et sa puissance résident dans le fait que les systèmes quantiques peuvent héberger de multiples « superpositions » d'états initiaux différents, et dans l'"intrication" effrayante qui ne se produit qu'au niveau quantique, les particules fondamentales.

"Il faudra une grande ingénierie pour faire de l'informatique quantique une réalité commerciale, et le travail que nous voyons de cette équipe extraordinaire met l'Australie aux commandes, " a déclaré Mark Hoffman, Doyen de l'ingénierie de l'UNSW. "C'est un excellent exemple de la façon dont UNSW, comme bon nombre des plus grandes universités de recherche au monde, est aujourd'hui au cœur d'un système mondial de connaissances sophistiqué qui façonne notre avenir."

L'équipe de l'UNSW a conclu un accord de 83 millions de dollars australiens entre l'UNSW, le géant des télécommunications Telstra, la Commonwealth Bank australienne et les gouvernements australien et de la Nouvelle-Galles du Sud à développer, d'ici 2022, un prototype de circuit intégré quantique en silicium de 10 qubits - la première étape de la construction du premier ordinateur quantique au monde en silicium.

En août, les partenaires ont lancé Silicon Quantum Computing Pty Ltd, La première entreprise d'informatique quantique d'Australie, faire progresser le développement et la commercialisation des technologies uniques de l'équipe. Le gouvernement de la Nouvelle-Galles du Sud a promis 8,7 millions de dollars australiens, UNSW A$25 millions, la Commonwealth Bank 14 millions de dollars australiens, Telstra 10 millions de dollars australiens et le gouvernement fédéral 25 millions de dollars australiens.