Des chercheurs de l'Institut Niels Bohr ont refroidi une puce contenant un large éventail de qubits de spin inférieurs à -273 Celsius. Pour manipuler des électrons individuels dans le réseau de points quantiques, ils ont appliqué des impulsions de tension rapides à des électrodes de grille métalliques situées à la surface du cristal d'arséniure de gallium (voir la micrographie électronique à balayage). Parce que chaque électron porte également un spin quantique, cela permet un traitement de l'information quantique basé sur les états de spin du réseau (les flèches sur l'illustration graphique). Pendant l'échange de spin médiatisé, qui n'a pris qu'un milliardième de seconde, deux paires d'électrons corrélées ont été superposées de manière cohérente et intriquées sur cinq points quantiques, constituant un nouveau record du monde au sein de la communauté. Crédit :Institut Niels Bohr
A l'Institut Niels Bohr, Université de Copenhague, les chercheurs ont réalisé l'échange de spins d'électrons entre des points quantiques distants. La découverte nous rapproche des futures applications de l'information quantique, car les petits points doivent laisser suffisamment de place sur la micropuce pour les électrodes de contrôle délicates. La distance entre les points est maintenant devenue suffisamment grande pour l'intégration avec la microélectronique traditionnelle et peut-être, un futur ordinateur quantique. Le résultat est obtenu via une collaboration multinationale avec Purdue University et UNSW, Sydney, Australie, maintenant publié dans Communication Nature .
La taille compte dans l'échange d'informations quantiques, même à l'échelle nanométrique
Les informations quantiques peuvent être stockées et échangées à l'aide d'états de spin des électrons. La charge des électrons peut être manipulée par des impulsions de tension de grille, qui contrôle également leur rotation. On croyait que cette méthode ne pouvait être pratique que si les points quantiques se touchaient; si pressé trop près les uns des autres, les spins réagiront trop violemment, s'ils sont placés trop loin les uns des autres, les spins interagiront beaucoup trop lentement. Cela crée un dilemme, car si un ordinateur quantique doit voir le jour, nous avons besoin des deux, échange de spin rapide et suffisamment d'espace autour des points quantiques pour accueillir les électrodes de grille pulsées.
Normalement, les points gauche et droit du réseau linéaire de points quantiques (Illustration 1) sont trop éloignés l'un de l'autre pour échanger des informations quantiques. Frédéric Martins, post-doctorant à l'UNSW, Sydney, Australie, explique :« Nous encodons des informations quantiques dans les états de spin des électrons, qui ont la propriété souhaitable de ne pas interagir beaucoup avec l'environnement bruyant, ce qui les rend utiles en tant que mémoires quantiques robustes et à longue durée de vie. Mais lorsque vous souhaitez traiter activement des informations quantiques, le manque d'interaction est contre-productif - parce que maintenant vous voulez que les spins interagissent !" Que faire ? point quantique allongé entre les points gauches et les points droits, il peut médier un échange cohérent d'états de spin, en un milliardième de seconde, sans jamais déplacer les électrons hors de leurs points. En d'autres termes, nous avons maintenant à la fois une interaction rapide et l'espace nécessaire pour les électrodes de grille pulsées ", dit Ferdinand Kuemmeth, professeur agrégé à l'Institut Niels Bohr.
La collaboration entre des chercheurs aux expertises diverses a été la clé du succès. Les collaborations internes font constamment progresser la fiabilité des procédés de nanofabrication et la sophistication des techniques à basse température. En réalité, au Center for Quantum Devices, les principaux prétendants à la mise en œuvre d'ordinateurs quantiques à l'état solide sont actuellement intensément étudiés, à savoir les qubits de spin semi-conducteurs, qubits gatemon supraconducteurs, et les qubits topologiques de Majorana.
Tous sont des qubits contrôlés en tension, permettant aux chercheurs de partager des astuces et de résoudre ensemble des défis techniques. Mais Kuemmeth s'empresse d'ajouter que "tout cela serait vain si nous n'avions pas accès à des cristaux semi-conducteurs extrêmement propres en premier lieu". Michel Manfra, Professeur de Génie des Matériaux, est d'accord :« Purdue a beaucoup travaillé pour comprendre les mécanismes qui conduisent à des points quantiques silencieux et stables. C'est fantastique de voir ce travail apporter des avantages aux nouveaux qubits de Copenhague ».
Le cadre théorique de la découverte est fourni par l'Université de Sydney, Australie. Stephen Bartlett, professeur de physique quantique à l'Université de Sydney, dit :« Ce que je trouve passionnant dans ce résultat en tant que théoricien, est qu'il nous libère de la géométrie contraignante d'un qubit ne s'appuyant que sur ses plus proches voisins". Son équipe a effectué des calculs détaillés, fournissant l'explication mécanique quantique de la découverte contre-intuitive.
Globalement, la démonstration de l'échange de spin rapide constitue non seulement une réalisation scientifique et technique remarquable, mais peut avoir des implications profondes pour l'architecture des ordinateurs quantiques à semi-conducteurs. La raison en est la distance :« Si les spins entre des qubits non voisins peuvent être échangés de manière contrôlable, cela permettra la réalisation de réseaux dans lesquels l'augmentation de la connectivité qubit-qubit se traduit par un volume quantique de calcul considérablement accru", prédit Kuemmeth.
