Filip Malinowski montrant une puce similaire à celle que les scientifiques du NBI ont utilisée dans leurs expériences pour inverser les qubits. Crédit :Ola Jakup Joensen
Un groupe de scientifiques de l'Institut Niels Bohr (NBI), Université de Copenhague, a compris comment faire en sorte que les qubits de spin effectuent des rotations arrière contrôlées. Cela n'a jamais été montré auparavant - et le journal Lettres d'examen physique , où la recherche vient d'être publiée, met en avant la découverte innovante dans la catégorie "Suggestion de l'éditeur".
"Je suppose que vous pouvez dire que nous avons compris comment exécuter les qubits en marche avant et en marche arrière - dans certaines circonstances, " dit le docteur Filip Malinowski, Center for Quantum Devices (QDev) à l'Institut Niels Bohr.
Malinowski et son collègue de QDev Frederico Martins – qui est maintenant à l'Université de Nouvelle-Galles du Sud, Australie - a dirigé le «projet inversé» qui comprenait également des scientifiques de l'Université Purdue, ETATS-UNIS. Le rôle des scientifiques américains impliquait la production de cristaux semi-conducteurs extrêmement purs, sur laquelle l'équipe du NBI avait besoin comme base sur laquelle s'appuyer lors de la constitution de «l'environnement» spécifique nécessaire pour forcer les qubits à s'inverser.
La découverte du NBI doit être considérée dans le contexte des ordinateurs quantiques, les nouveaux et puissants superordinateurs de nouvelle génération que les scientifiques du monde entier – QDev ne faisant pas exception – aspirent à développer à travers divers projets.
Afin de construire un ordinateur quantique, vous avez besoin de qubits - et les qubits diffèrent des bits binaires qui sont l'épine dorsale des ordinateurs contemporains. Les bits binaires peuvent prendre les valeurs 0 ou 1 et donc – en principe – fonctionner comme des commutateurs :ils sont soit « activés, " ou ils sont " éteints ".
Comme des morceaux classiques, les qubits peuvent prendre les valeurs 0 et 1. Cependant :les qubits peuvent aussi être dans un état qui représente 0 et 1 simultanément, une soi-disant superposition.
"Nous encodons des qubits dans la direction vers laquelle pointe le spin de l'électron - et traitons les informations quantiques en faisant tourner les spins autour de différents axes. Théoriquement, les rotations en avant et en arrière donnent des états de superposition différents, mais expérimentalement, seules les rotations vers l'avant étaient possibles jusqu'à présent, " dit Frederico Martins.
Vitesse et précision
Le fait que les qubits puissent être dans un état de superposition est ce qui permettra à un ordinateur quantique – une fois développé – d'entreprendre simultanément un très grand nombre de calculs différents.
Pour effectuer des recherches sur les qubits, vous devez travailler à des températures très basses - au voisinage du zéro absolu (-273,15 C) - la raison en est que ces conditions protègent les qubits de diverses perturbations pouvant affecter leur niveau de performance, par exemple. bruit.
"Nos expériences ont été menées à seulement 0,02 C au-dessus du zéro absolu. Nous avons pu créer cette température très basse grâce à un équipement spécial du laboratoire QDev - une version d'un cryostat, un réfrigérateur dit à dilution, " explique Filip Malinowski :
Le carré noir – mesurant environ 3x3 millimètres – est une puce semi-conductrice similaire à celle que les scientifiques du NBI ont utilisée dans leurs expériences. La puce se trouve sur une carte de circuit imprimé. Crédit : Filip Malinowski
"Et quand un ordinateur quantique est finalement développé, il inclura très probablement aussi une version d'un cryostat."
L'analogie avec la voiture
Quelles sont les implications pratiques possibles du fait que vous pouvez maintenant forcer les qubits à s'inverser - comme l'ont montré les scientifiques du NBI ?
D'une part, il permet d'effectuer des calculs plus rapides d'une quantité donnée de données que ce qui peut être fait en s'appuyant sur des qubits équipés d'un seul - avant - engrenage.
Mais il est également possible de choisir la précision plutôt que la vitesse en laissant les « qubits inversés » fonctionner à un rythme modéré dans un – futur – ordinateur quantique. Dans ce cas, l'avantage sera des calculs d'une précision accrue, dit Filip Malinowski :"Et en conséquence, vous pourrez éviter beaucoup d'erreurs qui devraient être corrigées par des calculs supplémentaires."
Afin de comprendre à quel point il devient soudain plus facile de contrôler les qubits une fois qu'ils ont été alimentés en marche arrière, une analogie impliquant une voiture est pratique, dit le professeur agrégé Ferdinand Kuemmeth, responsable de l'équipe QDev à l'origine de la découverte :
« Imaginez que vous conduisez une voiture dans une rue bondée - la rue où vous habitez - et que vous souhaitez la garer exactement devant votre porte. Cela peut être une tâche intimidante, surtout s'il y a beaucoup de voitures - (bruit, quand nous parlons de qubits) – autour de vous. Et maintenant, imaginez faire cela sans marche arrière :si vous dépassez légèrement, tu as raté ta chance, et il est difficile de trouver une solution. Il en va de même avec les qubits rotatifs :si l'on dépasse légèrement - ce qui arrive fréquemment en raison de l'environnement bruyant - il n'y avait aucun moyen de faire pivoter le qubit en arrière - jusqu'à présent !"
Un processus de construction
La fonction inverse des qubits a été démontrée dans une expérience impliquant un «environnement» quantique que les scientifiques du NBI ont construit sur un cristal sur mesure - une structure en sandwich fournie par l'Université Purdue, fait d'un matériau avec une distribution extraordinairement uniforme des électrons.
À la base de « l'environnement » se trouve la structure cristalline – que les scientifiques du NBI ont recouverte d'un polymère.
L'étape suivante consistait à « dessiner » un motif de rainures dans la couche de polymère, à l'aide d'un faisceau d'électrons.
Avec la marche avant, seule toute erreur peut être corrigée, mais à un coût important - comme conduire une voiture autour du pâté de maisons pour réessayer. D'un autre côté, avec une marche arrière, on peut simplement faire des réglages fins en faisant des allers-retours un peu. Dans le travail des scientifiques du NBI, la marche avant indique que deux spins électroniques parallèles ont une énergie plus élevée que les spins électroniques pointant dans des directions opposées. Pendant ce temps, sur la marche arrière, la configuration de rotation parallèle a une énergie plus faible. Habituellement, les deux spins confinés dans le petit espace ont une faible énergie s'ils pointent dans des directions opposées. C'est parce qu'ils peuvent occuper l'orbitale la plus basse - comme deux électrons dans un atome d'hélium. Pendant ce temps, le principe d'exclusion de Pauli interdit à deux électrons d'occuper la même orbitale si leur spin est le même. Cela force le deuxième électron à occuper une autre orbitale, augmenter son énergie. Cependant, la situation change lorsque les deux spins flottent dans un pool de nombreux autres électrons « neutralisés ». Ensuite, le principe d'exclusion de Pauli interdit aux électrons dont les spins pointent dans la même direction de flotter à proximité les uns des autres. Par conséquent, deux électrons chargés négativement avec des spins parallèles se repoussent plus faiblement, que si leurs spins étaient opposés. En tout, une répulsion plus faible diminue l'énergie de la configuration de spin parallèle. En général, ces deux effets coexistent et se concurrencent. Le scientifique du NBI a démontré qu'il est possible de basculer entre une configuration dans laquelle le premier ou le dernier effet domine. Crédit :Institut Niels Bohr
Ensuite, le polymère – maintenant affaibli – a été éliminé du motif indiqué – ouvrant les rainures, comme des fossés.
Enfin, les rainures au-dessus du cristal ont été remplies d'un métal pour former des électrodes, dont le plus petit mesurait à peine 20 nanomètres - et en appliquant différentes tensions à ces électrodes, il est possible de repousser ou d'attirer des électrons, plaçant finalement des électrons individuels dans des positions spécifiques.
Les scientifiques du NBI ont utilisé une telle puce pour contrôler avec précision ce que l'on appelle l'interaction d'échange – une interaction fondamentale entre les électrons qui peut être utilisée pour forcer les qubits à s'inverser – et comment cela se fait est expliqué plus en détail dans le graphique de l'actualité.
Centre des appareils quantiques, QDev - le laboratoire où la recherche a eu lieu. Photo :Ola Jakup Joensen
L'explication condensée est centrée sur le fait que lorsque deux électrons tournent - l'un pointant vers le haut, l'autre vers le bas - sont placés dans le même espace confiné, ils commencent à tourner ensemble, dit Filip Malinowski :
"Dans ce cas, ces électrons sont des qubits - et si nous revenons à l'analogie avec la voiture, ils commenceront à tourner ou à avancer. Jusqu'à présent, l'hypothèse a été que c'était en effet la seule direction dans laquelle ils pouvaient éventuellement se déplacer - c'est là qu'intervient notre découverte."
La fonction inverse devient réalité lorsque deux spins électroniques pointant de manière opposée - qubits - sont placés dans un environnement confiné avec de nombreuses autres paires d'électrons.
Désormais, toujours à très basse température, il devient soudainement possible de forcer les qubits à s'inverser.
L'arséniure de gallium - le matériau dont est fait le cristal produit aux États-Unis - joue un rôle de premier plan dans l'expérience NBI, mais la technique fonctionnera probablement aussi bien avec un certain nombre d'autres semi-conducteurs, dit Filip Malinowski :
"Surtout le silicium, qui est essentiel aux puces présentes dans nos processeurs de génération actuelle, mais le silicium pourrait également être utilisé comme matériau de construction pour les ordinateurs quantiques. »
