Dans un pas en avant pour l'informatique quantique dans le silicium - le même matériau utilisé dans les ordinateurs d'aujourd'hui - les chercheurs ont réussi à coupler le spin d'un seul électron, représenté par le point à gauche, éclairer, représenté comme une onde passant sur l'électron, qui est piégé dans une chambre en silicium à double puits connue sous le nom de boîte quantique. L'objectif est d'utiliser la lumière pour transporter des informations quantiques vers d'autres emplacements sur une puce informatique quantique futuriste. Crédit :Emily Edwards, Université du Maryland.
Un dispositif informatique quantique à base de silicium pourrait être plus proche que jamais grâce à un nouveau dispositif expérimental qui démontre le potentiel d'utiliser la lumière comme messager pour connecter des bits d'information quantiques, appelés qubits, qui ne sont pas immédiatement adjacents les uns aux autres. L'exploit est une étape vers la fabrication de dispositifs informatiques quantiques à partir de silicium, le même matériau utilisé dans les smartphones et les ordinateurs d'aujourd'hui.
La recherche, publié dans la revue La nature , a été dirigé par des chercheurs de l'Université de Princeton en collaboration avec des collègues de l'Université de Constance en Allemagne et du Joint Quantum Institute, qui est un partenariat entre l'Université du Maryland et le National Institute of Standards and Technology.
L'équipe a créé des qubits à partir d'électrons isolés piégés dans des chambres en silicium appelées doubles points quantiques. En appliquant un champ magnétique, ils ont montré qu'ils pouvaient transférer des informations quantiques, codé dans la propriété électronique connue sous le nom de spin, à une particule de lumière, ou photon, ouvrant la possibilité de transmettre l'information quantique.
« C'est une année charnière pour les qubits de spin du silicium, " dit Jason Petta, professeur de physique à Princeton. "Ce travail étend nos efforts dans une toute nouvelle direction, parce que cela vous évite de vivre dans un paysage en deux dimensions, où vous ne pouvez faire que le couplage au plus proche voisin, et dans un monde de connectivité tout-à-tout, ", a-t-il déclaré. "Cela crée de la flexibilité dans la façon dont nous fabriquons nos appareils."
Les appareils quantiques offrent des possibilités de calcul qui ne sont pas possibles avec les ordinateurs d'aujourd'hui, comme la factorisation de grands nombres et la simulation de réactions chimiques. Contrairement aux ordinateurs conventionnels, les appareils fonctionnent selon les lois de la mécanique quantique qui régissent les très petites structures telles que les atomes simples et les particules subatomiques. Les grandes entreprises technologiques construisent déjà des ordinateurs quantiques basés sur des qubits supraconducteurs et d'autres approches.
"Ce résultat ouvre la voie à une évolution vers des systèmes plus complexes en suivant la recette de l'industrie des semi-conducteurs, " a déclaré Guido Burkard, professeur de physique à l'Université de Constance, qui a fourni des conseils sur les aspects théoriques en collaboration avec Monica Benito, un chercheur postdoctoral. "C'est la vision, et c'est une étape très importante."
Jacob Taylor, membre de l'équipe et membre du Joint Quantum Institute, a comparé la lumière à un fil qui peut connecter des qubits de spin. "Si vous voulez faire un appareil informatique quantique en utilisant ces électrons piégés, comment envoyer des informations sur la puce ? Vous avez besoin de l'équivalent informatique quantique d'un fil."
Les qubits de spin au silicium sont plus résistants que les technologies de qubit concurrentes aux perturbations extérieures telles que la chaleur et les vibrations, qui perturbent les états quantiques intrinsèquement fragiles. Le simple fait de lire les résultats d'un calcul quantique peut détruire l'état quantique, un phénomène connu sous le nom de « démolition quantique ».
Les chercheurs pensent que l'approche actuelle peut éviter ce problème car elle utilise la lumière pour sonder l'état du système quantique. La lumière est déjà utilisée comme messager pour amener les signaux du câble et Internet dans les maisons via des câbles à fibres optiques, et il est également utilisé pour connecter des systèmes qubit supraconducteurs, mais c'est l'une des premières applications dans les qubits de spin du silicium.
Dans ces qubits, l'information est représentée par le spin de l'électron, qui peut pointer vers le haut ou vers le bas. Par exemple, un spin pointant vers le haut pourrait représenter un 0 et un spin pointant vers le bas pourrait représenter un 1. Ordinateurs conventionnels, en revanche, utiliser la charge de l'électron pour coder l'information.
Connecter des qubits à base de silicium afin qu'ils puissent se parler sans détruire leurs informations a été un défi pour le domaine. Bien que l'équipe dirigée par Princeton ait réussi à coupler deux spins électroniques voisins séparés de seulement 100 nanomètres (100 milliardièmes de mètre), tel que publié dans Science en décembre 2017, couplant le spin à la lumière, qui permettrait un couplage spin-spin longue distance, est resté un défi jusqu'à maintenant.
Dans l'étude actuelle, l'équipe a résolu le problème de la communication longue distance en couplant les informations du qubit, c'est-à-dire que la rotation pointe vers le haut ou vers le bas - vers une particule de lumière, ou photon, qui est piégé au-dessus du qubit dans la chambre. La nature ondulatoire du photon lui permet d'osciller au-dessus du qubit comme un nuage ondulant.
L'étudiant diplômé Xiao Mi et ses collègues ont découvert comment lier les informations sur la direction de la rotation au photon, pour que la lumière puisse capter un message, telles que "pointes de rotation vers le haut, " du qubit. " Le couplage fort d'un seul spin à un seul photon est une tâche extraordinairement difficile qui s'apparente à une danse parfaitement chorégraphiée, " dit Mi. " L'interaction entre les participants - spin, charge et photon - doit être conçu avec précision et protégé du bruit environnemental, ce qui n'a pas été possible jusqu'à présent. » L'équipe de Princeton comprenait le boursier postdoctoral Stefan Putz et l'étudiant diplômé David Zajac.
L'avancée a été rendue possible en exploitant les propriétés des ondes électromagnétiques de la lumière. La lumière est constituée de champs électriques et magnétiques oscillants, et les chercheurs ont réussi à coupler le champ électrique de la lumière à l'état de spin de l'électron.
Les chercheurs l'ont fait en s'appuyant sur les découvertes de l'équipe publiées en décembre 2016 dans la revue Science qui démontraient le couplage entre une seule charge électronique et une seule particule de lumière.
Amener le qubit à transmettre son état de spin au photon, les chercheurs placent le spin de l'électron dans un grand gradient de champ magnétique de sorte que le spin de l'électron ait une orientation différente selon le côté de la boîte quantique qu'il occupe. Le gradient de champ magnétique, combiné au couplage de charges démontré par le groupe en 2016, couple la direction de spin du qubit au champ électrique du photon.
Idéalement, le photon transmettra alors le message à un autre qubit situé dans la chambre. Une autre possibilité est que le message du photon puisse être transmis par des fils à un appareil qui lit le message. Les chercheurs travaillent sur ces prochaines étapes du processus.
Plusieurs étapes sont encore nécessaires avant de réaliser un ordinateur quantique à base de silicium, dit Petta. Les ordinateurs de tous les jours traitent des milliards de bits, et bien que les qubits soient plus puissants en calcul, la plupart des experts conviennent que 50 qubits ou plus sont nécessaires pour atteindre la suprématie quantique, où les ordinateurs quantiques commenceraient à éclipser leurs homologues classiques.
Daniel Perte, un professeur de physique à l'Université de Bâle en Suisse qui connaît les travaux mais pas directement impliqué, a déclaré:"Le travail du professeur Petta et de ses collaborateurs est l'une des percées les plus passionnantes dans le domaine des qubits de spin ces dernières années. Je suis le travail de Jason depuis de nombreuses années et je suis profondément impressionné par les normes qu'il a établies pour le champ, et encore une fois avec cette dernière expérience à paraître dans La nature . C'est une étape importante dans la quête de la construction d'un ordinateur quantique vraiment puissant, car il ouvre la voie à l'entassement de centaines de millions de qubits sur une puce de pouce carré. Ce sont des développements très excitants pour le domaine ¬ — et au-delà."
