Étape importante sur la voie de l'ordinateur quantique :des scientifiques de l'Université de Constance, Université de Princeton, et l'Université du Maryland ont développé une porte quantique stable pour les systèmes à deux bits quantiques en silicium. La porte quantique est capable d'effectuer toutes les opérations de base nécessaires de l'ordinateur quantique. Le spin électronique des électrons individuels dans le silicium est utilisé comme unité de stockage de base ("bits quantiques"). Les résultats de la recherche ont été publiés avant impression dans Science le 7 décembre 2017.

Il faudra plusieurs années avant la production d'ordinateurs quantiques commerciaux. Les ordinateurs quantiques seront plus efficaces et pourront résoudre des problèmes impossibles pour les ordinateurs actuels. Cependant, l'ordinateur quantique réagit beaucoup plus sensible aux perturbations externes qu'une machine conventionnelle. Par conséquent, un objectif principal est de créer des « portes quantiques » stables, le « bloc de construction » de base de l'ordinateur quantique. Des scientifiques de l'Université de Constance, L'Université de Princeton et l'Université du Maryland ont maintenant réussi à créer des portes quantiques stables pour les systèmes à deux bits quantiques. Leur porte quantique utilise des électrons individuels dans le silicium pour stocker les bits quantiques, et ils peuvent contrôler et lire avec précision l'interaction de deux bits quantiques. Par ici, l'expérience comprend toutes les opérations de base nécessaires de l'ordinateur quantique.

De l'électron au bit quantique

Tout comme un ordinateur numérique classique utilise des bits avec les valeurs zéro ou un comme unités de base pour tous les processus de calcul, un ordinateur quantique, utilise des bits quantiques. La différence est que le bit quantique n'est pas limité à deux états (zéro et un), mais peut exister dans plusieurs états à la fois, et est donc beaucoup plus complexe dans sa mise en œuvre qu'un simple système numérique. Les chercheurs ont proposé plusieurs idées pour réaliser techniquement un bit quantique, par exemple, utilisant des ions ou des systèmes supraconducteurs. Les chercheurs de Constance, Princeton et Maryland, cependant, utiliser le spin électronique, le moment angulaire intrinsèque d'un seul électron, comme base des bits quantiques. Le sens de rotation de l'électron correspond aux valeurs zéro et un du bit numérique, mais dans son état quantique exact, l'électron est capable de contenir plus d'informations qu'un simple zéro ou un.

Une première réalisation des chercheurs a donc été d'extraire un seul électron des milliards d'atomes d'un morceau de silicium. "Ce fut une réalisation extraordinaire de nos collègues de Princeton, " dit le physicien professeur Guido Burkard, qui a coordonné la recherche théorique à Constance. Les chercheurs ont utilisé une combinaison d'attraction et de répulsion électromagnétiques pour séparer un seul électron du groupe d'électrons. Les électrons séparés sont ensuite alignés avec précision et chacun est noyé dans une sorte de "creux, " où ils sont maintenus dans un état flottant.

Le défi suivant était de développer un système pour contrôler le moment angulaire des électrons individuels. Les physiciens de Constance Guido Burkard et Maximilian Russ ont développé la méthode suivante :une nano-électrode est appliquée à chaque électron. En utilisant un gradient de champ magnétique, les physiciens peuvent créer un champ magnétique dépendant de la position avec lequel accéder aux électrons individuels, permettant ainsi aux chercheurs de contrôler le moment angulaire des électrons. Par ici, ils ont créé des systèmes stables à un bit quantique pour stocker et lire des informations sous la forme de spins électroniques.

Le pas vers le système à deux bits quantiques

Un bit quantique, cependant, n'est pas suffisant pour générer le système de commutation de base d'un ordinateur quantique. Faire cela, deux bits quantiques sont nécessaires. L'étape cruciale que les chercheurs de Constance ont franchie vers le système à deux bits quantiques a été de relier les états de deux électrons. Une telle liaison permet de construire des systèmes de commutation basaux avec lesquels toutes les opérations de base de l'ordinateur quantique peuvent être effectuées. Par exemple, le système peut être programmé de telle sorte qu'un électron ne tourne que lorsque son électron adjacent a un spin dans une direction prédéterminée.

Cela signifiait que les chercheurs de Constance ont dû créer un système stable pour relier les spins de deux électrons individuels. "C'était la partie la plus importante et la plus difficile de notre travail, " dit Guido Burkard, qui a conçu et planifié la méthode avec le membre de l'équipe Maximilian Russ. Ils ont développé un système de commutation qui coordonne le moment angulaire de deux électrons en interdépendance. Une nano-électrode supplémentaire est placée entre les deux "creux" dans lesquels flottent les électrons de silicium. Cette électrode contrôle le couplage entre les deux spins électroniques. Avec cette méthode, les physiciens ont réalisé une unité de traitement de base stable et fonctionnelle d'un ordinateur quantique. Les fidélités pour les bits quantiques uniques sont supérieures à 99 %, et environ 80 % pour deux bits quantiques en interaction, ce qui est nettement plus stable et plus précis que lors des tentatives précédentes.

Le silicium, un "matériau silencieux"

Le matériau de base de la porte quantique est le silicium. "Un matériau magnétiquement très silencieux avec seulement un faible nombre de spins nucléaires propres, ", dit Guido Burkard, résumant les avantages du silicium. Il est important que les noyaux atomiques du matériau choisi n'aient pas trop de spins, C'est, moment cinétique intrinsèque, qui pourraient interférer avec les bits quantiques. Silicium, avec environ cinq pour cent, a une activité de spin extrêmement faible de ses noyaux atomiques et est donc un matériau particulièrement adapté. Autre avantage :le silicium est le matériau standard de la technologie des semi-conducteurs et par conséquent bien étudié. Les scientifiques peuvent donc bénéficier de nombreuses années d'expérience avec le matériau.