Une image au microscope à effet tunnel montrant la fonction d'onde électronique d'un qubit fabriqué à partir d'un atome de phosphore précisément positionné dans le silicium. Crédit :UNSW
L'approche australienne unique de création de bits quantiques à partir d'atomes individuels positionnés avec précision dans le silicium récolte des fruits importants, avec des scientifiques dirigés par UNSW Sydney montrant pour la première fois qu'ils peuvent faire "parler" deux de ces qubits atomiques.
L'équipe - dirigée par le professeur de l'UNSW Michelle Simmons, Directeur du Centre d'excellence pour le calcul quantique et les technologies de la communication, ou CQC2T - est le seul groupe au monde qui a la capacité de voir la position exacte de leurs qubits à l'état solide.
L'équipe de Simmons crée les qubits atomiques en positionnant et en encapsulant avec précision des atomes de phosphore individuels dans une puce de silicium. Des informations sont stockées sur le spin quantique d'un seul électron de phosphore.
La dernière avancée de l'équipe - la première observation d'interactions contrôlables entre deux de ces qubits - est publiée dans la revue Communication Nature . Il fait suite à deux autres avancées récentes utilisant cette approche unique pour construire un ordinateur quantique.
En optimisant leur processus de nano-fabrication, L'équipe de Simmons a également récemment créé des circuits quantiques avec le bruit électrique enregistré le plus faible de tous les dispositifs à semi-conducteurs.
Et ils ont créé un qubit de spin électronique avec la durée de vie la plus longue jamais rapportée dans un dispositif nano-électrique - 30 secondes.
"Les résultats combinés de ces trois articles de recherche confirment les perspectives extrêmement prometteuses pour la construction de systèmes multi-qubits utilisant nos qubits atomiques, " dit Simmons.
Australien de l'année 2018 inspiré par Richard Feynman
Simmons, qui a été nommée Australienne de l'année 2018 en janvier pour ses recherches pionnières en informatique quantique, affirme que le travail révolutionnaire de son équipe est inspiré par le regretté physicien Richard Feynman.
"Feynman a dit :'Ce que je ne peux pas créer, Je ne comprends pas'. Nous appliquons cette stratégie systématiquement, à partir du sol, atome par atome, " dit Simmons.
"En plaçant nos atomes de phosphore dans le silicium pour faire un qubit, nous avons démontré que nous pouvons utiliser une sonde à balayage pour mesurer directement la fonction d'onde de l'atome, qui nous indique son emplacement physique exact dans la puce. Nous sommes le seul groupe au monde à pouvoir réellement voir où se trouvent nos qubits.
"Notre avantage concurrentiel est que nous pouvons placer notre qubit de haute qualité là où nous le voulons dans la puce, voir ce que nous avons fait, puis mesurer son comportement. Nous pouvons ajouter un autre qubit à proximité et voir comment les deux fonctions d'onde interagissent. Et puis nous pouvons commencer à générer des répliques des appareils que nous avons créés, " elle dit.
Professeur de l'UNSW Michelle Simmons, Directeur du Centre d'excellence pour le calcul quantique et les technologies de la communication, avec un microscope à effet tunnel. Crédit UNSW. Crédit :UNSW
Pour la nouvelle étude, l'équipe a placé deux qubits - un composé de deux atomes de phosphore et un composé d'un seul atome de phosphore - distants de 16 nanomètres dans une puce de silicium.
"En utilisant des électrodes qui ont été modelées sur la puce avec des techniques de précision similaires, nous avons pu contrôler les interactions entre ces deux qubits voisins, ainsi les spins quantiques de leurs électrons sont devenus corrélés, " déclare le co-auteur principal de l'étude, Dr Matthieu Broome, anciennement de l'UNSW et maintenant à l'Université de Copenhague.
"C'était fascinant à regarder. Quand le spin d'un électron pointe vers le haut, l'autre pointe vers le bas, et vice versa.
"C'est une étape majeure pour la technologie. Ces types de corrélations de spin sont le précurseur des états intriqués nécessaires au fonctionnement d'un ordinateur quantique et à la réalisation de calculs complexes, " il dit.
Co-auteur principal de l'étude, Sam Gorman de l'UNSW, dit :« La théorie avait prédit que les deux qubits devraient être placés à 20 nanomètres l'un de l'autre pour voir cet effet de corrélation. Mais nous avons découvert que cela se produit à seulement 16 nanomètres l'un de l'autre.
"Dans notre monde quantique, c'est une très grande différence, " dit-il. " C'est aussi génial, en tant qu'expérimentateur, remettre en question la théorie."
En tête de la course à la construction d'un ordinateur quantique en silicium
Les scientifiques et ingénieurs de l'UNSW du CQC2T mènent le monde dans la course à la construction d'un ordinateur quantique en silicium. Ils développent des approches brevetées parallèles utilisant des qubits à un seul atome et à points quantiques.
"Nous espérons que les deux approches fonctionneront bien. Ce serait formidable pour l'Australie, " dit Simmons.
L'équipe de l'UNSW a choisi de travailler dans le silicium car il fait partie des environnements les plus stables et les plus faciles à fabriquer pour héberger des qubits, et sa longue histoire d'utilisation dans l'industrie informatique conventionnelle signifie qu'il existe un vaste corpus de connaissances sur ce matériau.
En 2012, L'équipe de Simmons, qui utilisent des microscopes à effet tunnel pour positionner les atomes de phosphore individuels dans du silicium puis une épitaxie par faisceau moléculaire pour les encapsuler, créé les fils conducteurs les plus étroits au monde, seulement quatre atomes de phosphore de diamètre et un atome de haut.
Dans un article récent publié dans la revue Nano Letters, ils ont utilisé des techniques de contrôle à l'échelle atomique similaires pour produire des circuits d'environ 2 à 10 nanomètres de large et ont montré qu'il avait le bruit électrique enregistré le plus faible de tous les circuits à semi-conducteurs. Ce travail a été entrepris conjointement avec Saquib Shamim et Arindam Ghosh de l'Indian Institute of Science.
Vue d'artiste de deux qubits - un composé de deux atomes de phosphore et un composé d'un seul atome de phosphore - placés à 16 nanomètres l'un de l'autre dans une puce de silicium. Les scientifiques de l'UNSW ont pu contrôler les interactions entre les deux qubits afin que les spins quantiques de leurs électrons soient corrélés. Lorsque le spin d'un électron pointe vers le haut, l'autre pointe vers le bas. Crédit :UNSW
« Il est largement admis que le bruit électrique des circuits qui contrôlent les qubits sera un facteur critique pour limiter leurs performances, " dit Simmons.
"Nos résultats confirment que le silicium est un choix optimal, parce que son utilisation évite le problème auquel la plupart des autres appareils sont confrontés d'avoir un mélange de différents matériaux, y compris les diélectriques et les métaux de surface, qui peut être la source de, et amplifier, bruit électrique.
"Grâce à notre approche de précision, nous avons atteint ce que nous pensons être le niveau de bruit électrique le plus bas possible pour un nano-dispositif électronique en silicium - trois ordres de grandeur inférieurs même à l'utilisation de nanotubes de carbone, " elle dit.
Dans un autre article récent de Science Advances, L'équipe de Simmons a montré que leurs qubits de précision dans le silicium pouvaient être conçus pour que le spin de l'électron ait une durée de vie record de 30 secondes - jusqu'à 16 fois plus longtemps que précédemment rapporté. Le premier auteur, Dr Thomas Watson, était à l'UNSW pour son doctorat et est maintenant à l'Université de technologie de Delft.
"C'est un sujet de recherche brûlant, " dit Simmons. " La durée de vie du spin de l'électron - avant qu'il ne commence à se désintégrer, par exemple, du spin up au spin down - est vital. Plus la durée de vie est longue, plus nous pouvons stocker des informations dans leur état quantique. »
Dans le même journal, ils ont montré que ces longues durées de vie leur permettaient de lire les spins électroniques de deux qubits en séquence avec une précision de 99,8 % pour chacun, qui est le niveau requis pour la correction d'erreur pratique dans un processeur quantique.
La première entreprise australienne d'informatique quantique
Au lieu d'effectuer les calculs les uns après les autres, comme un ordinateur classique, un ordinateur quantique fonctionnerait en parallèle et serait capable d'examiner tous les résultats possibles en même temps. Il serait capable de résoudre des problèmes en quelques minutes qui prendraient autrement des milliers d'années.
L'année dernière, La première entreprise d'informatique quantique d'Australie - soutenue par un consortium unique de gouvernements, l'industrie et les universités - a été créé pour commercialiser la recherche de pointe du CQC2T.
Opérant à partir de nouveaux laboratoires à l'UNSW, Silicon Quantum Computing Pty Ltd a pour objectif de produire un dispositif de démonstration de 10 qubits en silicium d'ici 2022, comme le précurseur d'un ordinateur quantique à base de silicium.
Le gouvernement australien a investi 26 millions de dollars dans l'entreprise de 83 millions de dollars par le biais de son programme national d'innovation et de science, avec 25 millions de dollars supplémentaires provenant de l'UNSW, 14 millions de dollars de la Commonwealth Bank of Australia, 10 millions de dollars de Telstra et 8,7 millions de dollars du gouvernement de la Nouvelle-Galles du Sud.
On estime que les industries représentant environ 40 % de l'économie actuelle de l'Australie pourraient être considérablement affectées par l'informatique quantique. Les applications possibles incluent la conception de logiciels, apprentissage automatique, planification et planification logistique, analyse financière, modélisation boursière, vérification des logiciels et du matériel, modélisation climatique, conception et test rapides de médicaments, et la détection et la prévention précoces des maladies.
