Des ordinateurs quantiques capables de résoudre des problèmes complexes, comme la conception de médicaments ou l'apprentissage automatique, nécessitera des millions de bits quantiques - ou qubits - connectés de manière intégrée et conçus pour corriger les erreurs qui se produisent inévitablement dans les systèmes quantiques fragiles.

Maintenant, une équipe de recherche australienne a réalisé expérimentalement une combinaison cruciale de ces capacités sur une puce de silicium, rapprocher le rêve d'un ordinateur quantique universel de la réalité.

Ils ont démontré une plate-forme intégrée de qubit en silicium qui combine à la fois une adressabilité à un seul spin (la capacité à «écrire» des informations sur un seul qubit de spin sans déranger ses voisins) et un processus de «lecture» de qubit qui sera vital pour la correction d'erreur quantique. .

De plus, leur nouvelle conception intégrée peut être fabriquée à l'aide d'une technologie bien établie utilisée dans l'industrie informatique existante.

L'équipe est dirigée par le professeur Scientia Andrew Dzurak de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud à Sydney, un chef de programme au Centre d'excellence pour le calcul quantique et la technologie de communication (CQC2T) et directeur du nœud NSW de l'Australian National Fabrication Facility.

L'année dernière, Dzurak et ses collègues ont publié une conception pour une nouvelle architecture de puce qui pourrait permettre d'effectuer des calculs quantiques à l'aide de composants en silicium CMOS (complémentaire métal-oxyde-semiconducteur), la base de toutes les puces informatiques modernes.

Dans leur nouvelle étude, publié aujourd'hui dans la revue Communication Nature , l'équipe combine pour la première fois deux techniques quantiques fondamentales, confirmant la promesse de leur approche.

L'équipe de Dzurak avait également montré précédemment qu'une plate-forme intégrée de qubit en silicium peut fonctionner avec une adressabilité à un seul spin, c'est-à-dire la possibilité de faire tourner un seul spin sans déranger ses voisins.

Ils ont maintenant montré qu'ils peuvent combiner cela avec un type spécial de processus de lecture quantique connu sous le nom de blocage de spin de Pauli, une exigence clé pour les codes de correction d'erreurs quantiques qui seront nécessaires pour assurer la précision dans les grands ordinateurs quantiques basés sur le spin. Cette nouvelle combinaison de techniques de lecture et de contrôle de qubit est une caractéristique centrale de leur conception de puce quantique.

"Nous avons démontré la capacité de faire une lecture de spin Pauli dans notre dispositif de qubit de silicium mais, pour la première fois, nous l'avons également combiné avec la résonance de rotation pour contrôler la rotation, " dit Dzurak.

« C'est une étape importante pour nous sur la voie de la correction d'erreurs quantiques avec des qubits de spin, ce qui va être essentiel pour tout ordinateur quantique universel."

"La correction d'erreur quantique est une exigence clé dans la création d'une informatique quantique utile à grande échelle, car tous les qubits sont fragiles, et vous devez corriger les erreurs au fur et à mesure qu'elles surviennent, " dit l'auteur principal, Michael Fogarty, qui a réalisé les expériences dans le cadre de son doctorat. recherche avec le professeur Dzurak à l'UNSW.

"Mais cela crée une surcharge importante dans le nombre de qubits physiques dont vous avez besoin pour faire fonctionner le système, " note Fogarty.

Dzurak dit, « En utilisant la technologie CMOS au silicium, nous avons la plate-forme idéale pour évoluer jusqu'aux millions de qubits dont nous aurons besoin, et nos résultats récents nous fournissent les outils nécessaires pour corriger les erreurs de qubit de spin dans un avenir proche."

"C'est une autre confirmation que nous sommes sur la bonne voie. Et cela montre également que l'architecture que nous avons développée à l'UNSW a, jusque là, n'a montré aucun obstacle au développement d'une puce informatique quantique fonctionnelle."

"Et, quoi de plus, celui qui peut être fabriqué à l'aide de processus et de composants industriels bien établis."

L'approche unique du CQC2T utilisant le silicium

Travailler dans le silicium est important non seulement parce que l'élément est bon marché et abondant, mais parce qu'il est au cœur de l'industrie informatique mondiale depuis près de 60 ans. Les propriétés du silicium sont bien comprises et des puces contenant des milliards de transistors conventionnels sont régulièrement fabriquées dans de grandes installations de production.

Il y a trois ans, L'équipe de Dzurak publiée dans le journal La nature la première démonstration de calculs de logique quantique dans un véritable dispositif en silicium avec la création d'une porte logique à deux qubits, le bloc de construction central d'un ordinateur quantique.

"C'étaient les premiers pas de bébé, les premières démonstrations de la façon de transformer ce concept radical d'informatique quantique en un dispositif pratique utilisant des composants qui sous-tendent toute l'informatique moderne, " dit le professeur Mark Hoffman, Doyen de l'ingénierie de l'UNSW.

"Notre équipe a maintenant un plan pour étendre cela de façon spectaculaire.

« Nous avons testé des éléments de cette conception en laboratoire, avec des résultats très positifs. Nous devons juste continuer à construire sur cela, ce qui reste un sacré défi, mais les bases sont là, et c'est très encourageant.

"Il faudra encore une grande ingénierie pour faire de l'informatique quantique une réalité commerciale, mais clairement le travail que nous voyons de cette équipe extraordinaire au CQC2T met l'Australie aux commandes, " il ajouta.

D'autres auteurs du nouveau Communication Nature sont les chercheurs de l'UNSW Kok Wai Chan, Bas Hensen, Wister Huang, Tuomo Tanttu, Henri Yang, Arne Laucht, Fay Hudson et Andrea Morello, ainsi que Menno Veldhorst de QuTech et TU Delft, Thaddeus Ladd des Laboratoires HRL et Kohei Itoh de l'Université Keio du Japon.

Commercialiser la propriété intellectuelle du CQC2T

En 2017, un consortium de gouvernements australiens, l'industrie et les universités ont créé la première société d'informatique quantique d'Australie à commercialiser la propriété intellectuelle de premier plan du CQC2T.

Opérant à partir de nouveaux laboratoires à l'UNSW, Silicon Quantum Computing Pty Ltd (SQC) a pour objectif de produire un dispositif de démonstration de 10 qubits en silicium d'ici 2022, comme précurseur de la création d'un ordinateur quantique à base de silicium.

Le travail de Dzurak et de son équipe sera une composante de SQC réalisant cette ambition. Les scientifiques et ingénieurs de l'UNSW du CQC2T développent des approches brevetées parallèles utilisant des qubits à un seul atome et à points quantiques.

En mai 2018, le Premier ministre australien de l'époque, Malcolm Turnbull, et le Président de la France, Emmanuel Macron, a annoncé la signature d'un protocole d'accord portant sur une nouvelle collaboration entre SQC et le leader français de la recherche et du développement, Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA).

Le protocole d'accord a décrit des plans pour former une coentreprise dans la technologie d'informatique quantique silicium-CMOS pour accélérer et concentrer le développement technologique, ainsi que pour saisir les opportunités de commercialisation en réunissant les efforts français et australiens pour développer un ordinateur quantique.

Le projet de joint-venture franco-australien réunirait l'équipe de Dzurak, situé à UNSW, avec une équipe dirigée par le Dr Maud Vinet du CEA, qui sont des experts en technologie de fabrication CMOS avancée, et qui ont également récemment fait la démonstration d'un qubit de silicium fabriqué à l'aide de leur installation de prototypage à l'échelle industrielle à Grenoble.

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.