Des chercheurs du MIT et d'ailleurs ont enregistré, pour la première fois, la "cohérence temporelle" d'un qubit de graphène, c'est-à-dire combien de temps il peut maintenir un état spécial qui lui permet de représenter deux états logiques simultanément. La démonstration, qui utilisait un nouveau type de qubit basé sur le graphène, représente une étape critique pour l'informatique quantique pratique, disent les chercheurs.

Bits quantiques supraconducteurs (simplement, qubits) sont des atomes artificiels qui utilisent diverses méthodes pour produire des bits d'information quantique, le composant fondamental des ordinateurs quantiques. Semblable aux circuits binaires traditionnels dans les ordinateurs, les qubits peuvent conserver l'un des deux états correspondant aux bits binaires classiques, a 0 ou 1. Mais ces qubits peuvent aussi être une superposition des deux états simultanément, qui pourrait permettre aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes complexes pratiquement impossibles pour les ordinateurs traditionnels.

La durée pendant laquelle ces qubits restent dans cet état de superposition est appelée leur « temps de cohérence ». Plus le temps de cohérence est long, plus la capacité du qubit à calculer des problèmes complexes est grande.

Récemment, les chercheurs ont incorporé des matériaux à base de graphène dans des dispositifs informatiques quantiques supraconducteurs, qui promettent plus vite, informatique plus efficace, entre autres avantages. Jusqu'à maintenant, cependant, il n'y a pas eu de cohérence enregistrée pour ces qubits avancés, donc on ne sait pas s'ils sont réalisables pour l'informatique quantique pratique.

Dans un article publié aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie , les chercheurs démontrent, pour la première fois, un qubit cohérent composé de graphène et de matériaux exotiques. Ces matériaux permettent au qubit de changer d'état par la tension, un peu comme les transistors des puces informatiques traditionnelles d'aujourd'hui, et contrairement à la plupart des autres types de qubits supraconducteurs. De plus, les chercheurs ont chiffré cette cohérence, cadencé à 55 nanosecondes, avant que le qubit ne revienne à son état fondamental.

Le travail a combiné l'expertise des co-auteurs William D. Oliver, un professeur de physique de la pratique et Lincoln Laboratory Fellow dont les travaux se concentrent sur les systèmes informatiques quantiques, et Pablo Jarillo-Herrero, le professeur de physique Cecil et Ida Green au MIT qui étudie les innovations dans le graphène.

"Notre motivation est d'utiliser les propriétés uniques du graphène pour améliorer les performances des qubits supraconducteurs, " dit le premier auteur Joel I-Jan Wang, un post-doctorat dans le groupe d'Oliver au Laboratoire de recherche en électronique (RLE) du MIT. "Dans ce travail, nous montrons pour la première fois qu'un qubit supraconducteur à base de graphène est temporellement cohérent quantique, une condition essentielle pour construire des circuits quantiques plus sophistiqués. Le nôtre est le premier appareil à montrer un temps de cohérence mesurable - une métrique primaire d'un qubit - qui est suffisamment long pour que les humains puissent le contrôler."

Il y a 14 autres co-auteurs, dont Daniel Rodan-Legrain, un étudiant diplômé du groupe de Jarillo-Herrero qui a contribué à part égale au travail avec Wang; chercheurs MIT de RLE, le département de physique, le Département de génie électrique et informatique, et le laboratoire Lincoln ; et des chercheurs du Laboratoire des solides irradiés de l'École polytechnique et du Laboratoire des matériaux avancés de l'Institut national des sciences des matériaux.

Un sandwich au graphène vierge

Les qubits supraconducteurs reposent sur une structure connue sous le nom de "jonction Josephson, " où un isolant (généralement un oxyde) est pris en sandwich entre deux matériaux supraconducteurs (généralement de l'aluminium). Dans les conceptions traditionnelles de qubit accordables, une boucle de courant crée un petit champ magnétique qui provoque le va-et-vient des électrons entre les matériaux supraconducteurs, provoquant le changement d'état du qubit.

Mais ce courant qui circule consomme beaucoup d'énergie et cause d'autres problèmes. Récemment, quelques groupes de recherche ont remplacé l'isolant par du graphène, une couche de carbone de l'épaisseur d'un atome qui est peu coûteuse à produire en masse et possède des propriétés uniques qui pourraient permettre plus rapidement, calcul plus efficace.

Pour fabriquer leur qubit, les chercheurs se sont tournés vers une classe de matériaux, appelés matériaux van der Waals - des matériaux atomiques minces qui peuvent être empilés comme des Legos les uns sur les autres, avec peu ou pas de résistance ou de dommages. Ces matériaux peuvent être empilés de manières spécifiques pour créer divers systèmes électroniques. Malgré leur qualité de surface quasi irréprochable, seuls quelques groupes de recherche ont déjà appliqué les matériaux de van der Waals aux circuits quantiques, et aucun n'a été précédemment montré pour présenter une cohérence temporelle.

Pour leur jonction Josephson, les chercheurs ont pris en sandwich une feuille de graphène entre les deux couches d'un isolant van der Waals appelé nitrure de bore hexagonal (hBN). Surtout, le graphène prend la supraconductivité des matériaux supraconducteurs qu'il touche. Les matériaux van der Waals sélectionnés peuvent être utilisés pour faire circuler des électrons en utilisant la tension, au lieu du champ magnétique traditionnel basé sur le courant. Par conséquent, le graphène aussi, et tout le qubit aussi.

Lorsque la tension est appliquée au qubit, les électrons rebondissent entre deux conducteurs supraconducteurs reliés par du graphène, changer le qubit de la masse (0) à l'état excité ou de superposition (1). La couche inférieure de hBN sert de substrat pour héberger le graphène. La couche supérieure de hBN encapsule le graphène, le protégeant de toute contamination. Parce que les matériaux sont si vierges, les électrons qui voyagent n'interagissent jamais avec les défauts. Cela représente le "transport balistique" idéal pour les qubits, où une majorité d'électrons se déplacent d'un conducteur supraconducteur à un autre sans se disperser avec des impuretés, faire un rapide, changement d'état précis.

Comment la tension aide

Le travail peut aider à résoudre le "problème de mise à l'échelle du qubit, " dit Wang. Actuellement, seulement environ 1, 000 qubits peuvent tenir sur une seule puce. Avoir des qubits contrôlés par la tension sera particulièrement important car des millions de qubits commencent à être entassés sur une seule puce. "Sans contrôle de tension, vous aurez également besoin de milliers ou de millions de boucles de courant, et cela prend beaucoup de place et entraîne une dissipation d'énergie, " il dit.

En outre, le contrôle de la tension signifie une plus grande efficacité et un plus localisé, ciblage précis des qubits individuels sur une puce, sans "diaphonie croisée". Cela se produit lorsqu'une petite partie du champ magnétique créé par le courant interfère avec un qubit qu'il ne cible pas, causant des problèmes de calcul.

Pour l'instant, le qubit des chercheurs a une durée de vie brève. Pour référence, les qubits supraconducteurs conventionnels prometteurs pour une application pratique ont documenté des temps de cohérence de quelques dizaines de microsecondes, quelques centaines de fois supérieur au qubit des chercheurs.

Mais les chercheurs abordent déjà plusieurs problèmes qui causent cette courte durée de vie, dont la plupart nécessitent des modifications structurelles. Ils utilisent également leur nouvelle méthode de sondage de cohérence pour étudier plus en détail comment les électrons se déplacent de manière balistique autour des qubits, dans le but d'étendre la cohérence des qubits en général.