Les chercheurs ont démontré la capacité de contrôler avec précision le comportement de deux bits quantiques à base de silicium, ou qubits, ouvrant la voie à la complexification, dispositifs multi-qubit utilisant une technologie moins coûteuse et plus facile à fabriquer que d'autres approches. Crédit :David Zajac, université de Princeton
Dans une étape majeure vers la fabrication d'un ordinateur quantique utilisant des matériaux de tous les jours, une équipe dirigée par des chercheurs de l'Université de Princeton a construit un élément clé du matériel en silicium capable de contrôler le comportement quantique entre deux électrons avec une précision extrêmement élevée. L'étude a été publiée le 7 décembre dans la revue Science .
L'équipe a construit une porte qui contrôle les interactions entre les électrons d'une manière qui leur permet d'agir comme des bits d'information quantiques, ou qubits, nécessaire à l'informatique quantique. La démonstration de ce presque sans erreur, porte à deux qubits est une première étape importante dans la construction d'un dispositif informatique quantique plus complexe à partir de silicium, le même matériau utilisé dans les ordinateurs conventionnels et les smartphones.
"Nous savions que nous devions faire fonctionner cette expérience si la technologie à base de silicium avait un avenir en termes de mise à l'échelle et de construction d'un ordinateur quantique, " dit Jason Petta, professeur de physique à l'université de Princeton. « La création de cette porte à deux qubits haute fidélité ouvre la porte à des expériences à plus grande échelle. »
Les dispositifs à base de silicium sont susceptibles d'être moins chers et plus faciles à fabriquer que d'autres technologies pour réaliser un ordinateur quantique. Bien que d'autres groupes de recherche et entreprises aient annoncé des dispositifs quantiques contenant 50 qubits ou plus, ces systèmes nécessitent des matériaux exotiques tels que des supraconducteurs ou des atomes chargés maintenus en place par des lasers.
Les ordinateurs quantiques peuvent résoudre des problèmes inaccessibles avec les ordinateurs conventionnels. Les appareils peuvent être capables de factoriser des nombres extrêmement grands ou de trouver les solutions optimales à des problèmes complexes. Ils pourraient également aider les chercheurs à comprendre les propriétés physiques de particules extrêmement petites telles que les atomes et les molécules, conduisant à des avancées dans des domaines tels que la science des matériaux et la découverte de médicaments.
Pour construire un ordinateur quantique, les chercheurs doivent créer des qubits et les coupler les uns aux autres avec une haute fidélité. Les dispositifs quantiques à base de silicium utilisent une propriété quantique des électrons appelée « spin » pour coder les informations. Le spin peut pointer vers le haut ou vers le bas d'une manière analogue aux pôles nord et sud d'un aimant. En revanche, les ordinateurs conventionnels fonctionnent en manipulant la charge négative de l'électron.
Atteindre une haute performance, Le dispositif quantique basé sur le spin a été entravé par la fragilité des états de spin - ils basculent facilement de haut en bas ou vice versa à moins qu'ils ne puissent être isolés dans un environnement très pur. En construisant les dispositifs quantiques en silicium dans le laboratoire de nanofabrication de dispositifs quantiques de Princeton, les chercheurs ont réussi à garder les spins cohérents, c'est-à-dire dans leurs états quantiques - pendant des périodes de temps relativement longues.
La grille à base de silicium à deux qubits est constituée de deux électrons (boules bleues avec des flèches) dans une couche de silicium (Si). En appliquant des tensions à travers des fils d'oxyde d'aluminium (Al2O3) (rouge et vert), les chercheurs ont piégé les électrons et amadoué des comportements quantiques qui transforment leurs propriétés de spin en bits d'information quantiques, ou qubits. L'image de gauche montre une micrographie électronique à balayage de l'appareil, qui est d'environ 200 nanomètres (nm) de diamètre. L'image de droite est un schéma de l'appareil vu de côté. Crédit: Science /AAAS
Pour construire la porte à deux qubits, les chercheurs ont superposé de minuscules fils d'aluminium sur un cristal de silicium hautement ordonné. Les fils délivrent des tensions qui piègent deux électrons simples, séparés par une barrière énergétique, dans une structure semblable à une double boîte quantique.
En abaissant temporairement la barrière énergétique, les chercheurs permettent aux électrons de partager des informations quantiques, créant un état quantique spécial appelé intrication. Ces électrons piégés et intriqués sont maintenant prêts à être utilisés comme qubits, qui sont comme des bits informatiques conventionnels mais avec des superpuissances :alors qu'un bit conventionnel peut représenter un zéro ou un 1, chaque qubit peut être simultanément un zéro et un 1, augmentant considérablement le nombre de permutations possibles qui peuvent être comparées instantanément.
"Le défi est qu'il est très difficile de construire des structures artificielles suffisamment petites pour piéger et contrôler des électrons uniques sans détruire leurs longs temps de stockage, " a déclaré David Zajac, un étudiant diplômé en physique à Princeton et premier auteur de l'étude. "C'est la première démonstration d'intrication entre deux spins électroniques dans le silicium, un matériau connu pour fournir l'un des environnements les plus propres pour les états de spin des électrons."
Les chercheurs ont démontré qu'ils peuvent utiliser le premier qubit pour contrôler le deuxième qubit, signifiant que la structure fonctionnait comme une porte NON contrôlée (CNOT), qui est la version quantique d'un composant de circuit informatique couramment utilisé. Les chercheurs contrôlent le comportement du premier qubit en appliquant un champ magnétique. La porte produit un résultat basé sur l'état du premier qubit :si le premier spin est pointé vers le haut, alors le spin du deuxième qubit s'inversera, mais si le premier tour est en panne, le second ne basculera pas.
"La porte dit essentiellement qu'elle ne va faire quelque chose à une particule que si l'autre particule est dans une certaine configuration, " dit Petta. " Ce qui arrive à une particule dépend de l'autre particule. "
Les chercheurs ont montré qu'ils peuvent maintenir les spins des électrons dans leurs états quantiques avec une fidélité supérieure à 99% et que la porte fonctionne de manière fiable pour inverser le spin du deuxième qubit environ 75% du temps. La technologie a le potentiel de s'adapter à plus de qubits avec des taux d'erreur encore plus bas, selon les chercheurs.
"Cet ouvrage se démarque dans une course mondiale à la démonstration du portail CNOT, un élément fondamental du calcul quantique, en qubits à base de silicium, " a déclaré HongWen Jiang, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Californie à Los Angeles. "Le taux d'erreur pour l'opération à deux qubits est étalonné sans ambiguïté. Il est particulièrement impressionnant que cette expérience extraordinairement difficile, ce qui nécessite une fabrication de dispositifs sophistiqués et un contrôle exquis des états quantiques, se fait dans un laboratoire universitaire composé de seulement quelques chercheurs. »
