Un record mondial de réduction des erreurs dans les « qubits de spin » des semi-conducteurs, un type de bloc de construction pour les ordinateurs quantiques, a été réalisé à l'aide des travaux théoriques de physiciens quantiques du Nano Institute et de la School of Physics de l'Université de Sydney.

Le résultat expérimental des ingénieurs de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud a démontré des taux d'erreur aussi bas que 0,043%, inférieur à tout autre qubit de spin. Le document de recherche conjoint des équipes de Sydney et de l'UNSW a été publié cette semaine dans Nature Électronique et est l'article de couverture du journal pour le mois d'avril.

"Il est nécessaire de réduire les erreurs dans les ordinateurs quantiques avant de pouvoir les transformer en machines utiles, " a déclaré le professeur Stephen Bartlett, un auteur correspondant de l'article.

"Une fois qu'ils fonctionnent à grande échelle, les ordinateurs quantiques pourraient tenir leur grande promesse de résoudre des problèmes au-delà de la capacité même des plus gros supercalculateurs. Cela pourrait aider l'humanité à résoudre des problèmes de chimie, la conception et l'industrie du médicament."

Il existe de nombreux types de bits quantiques, ou qubits, allant de ceux utilisant des ions piégés, boucles supraconductrices ou photons. Un 'spin qubit' est un bit quantique qui code des informations basées sur la direction magnétique quantifiée d'un objet quantique, comme un électron.

Australie, et Sydney en particulier, est en train de devenir un leader mondial de la technologie quantique. L'annonce récente du financement de la création d'une Sydney Quantum Academy, souligne l'énorme opportunité en Australie de construire une économie quantique basée sur la plus grande concentration au monde de groupes de recherche quantique ici à Sydney.

Pas de pratique sans théorie

Alors qu'une grande partie de l'attention récente dans l'informatique quantique a été sur les progrès du matériel, aucune de ces avancées n'a été possible sans le développement de la théorie de l'information quantique.

Le groupe de théorie quantique de l'Université de Sydney, dirigé par le professeur Stephen Bartlett et le professeur Steven Flammia, est l'une des puissances mondiales de la théorie de l'information quantique, permettant aux équipes d'ingénierie et d'expérimentation à travers le monde de faire les progrès physiques minutieux nécessaires pour que l'informatique quantique devienne une réalité.

Les travaux du groupe de théorie quantique de Sydney ont été essentiels pour le résultat record du monde publié dans Nature Électronique .

Le professeur Bartlett a déclaré :                                                                                                                                                                                                                                                                                                  , l'équipe de l'UNSW avait besoin de méthodes assez sophistiquées pour même pouvoir détecter les erreurs.

"Avec des taux d'erreur si bas, nous avions besoin d'analyses de données qui duraient des jours et des jours uniquement pour collecter les statistiques afin de montrer les erreurs occasionnelles."

Le professeur Bartlett a déclaré qu'une fois les erreurs identifiées, elles devaient être caractérisées, éliminé et requalifié.

"Le groupe de Steve Flammia est leader mondial dans la théorie de la caractérisation des erreurs, qui a été utilisé pour obtenir ce résultat, " il a dit.

Le groupe Flammia a récemment démontré pour la première fois une amélioration des ordinateurs quantiques utilisant des codes conçus pour détecter et éliminer les erreurs dans les portes logiques, ou des interrupteurs, à l'aide de l'ordinateur quantique IBM Q.

Professeur Andrew Dzurak, qui dirige l'équipe de recherche UNSW, a déclaré : « Cela a été inestimable de travailler avec les professeurs Bartlett et Flammia, et leur équipe, pour nous aider à comprendre les types d'erreurs que nous voyons dans nos qubits silicium-CMOS à l'UNSW.

"Notre expérimentateur principal, Henri Yang, travaillé en étroite collaboration avec eux pour atteindre cette fidélité remarquable de 99,957%, montrant que nous avons maintenant le qubit de semi-conducteur le plus précis au monde."

Le professeur Bartlett a déclaré que le record du monde d'Henry Yang durera probablement longtemps. Il a déclaré que maintenant l'équipe de l'UNSW et d'autres travailleraient à la mise en place de deux matrices de qubit et de niveau supérieur en silicium-CMOS.

Les ordinateurs quantiques pleinement fonctionnels auront besoin de millions, sinon des milliards, de qubits à exploiter. Concevoir des qubits à faible erreur est maintenant une étape vitale pour passer à de tels appareils.

Le professeur Raymond Laflamme est titulaire de la chaire d'information quantique à l'Université de Waterloo au Canada et n'a pas participé à l'étude. Il a déclaré :« Alors que les processeurs quantiques deviennent de plus en plus courants, un outil important pour les évaluer a été développé par le groupe Bartlett à l'Université de Sydney. Il nous permet de caractériser la précision des portes quantiques et donne aux physiciens la possibilité de faire la distinction entre les erreurs incohérentes et cohérentes conduisant à un contrôle sans précédent des qubits."

Impact mondial

Le résultat conjoint de l'Université de Sydney et de l'UNSW intervient peu après un article de la même équipe de théorie quantique avec des expérimentateurs de l'Institut Niels Bohr de Copenhague.

Ce résultat, Publié dans Communication Nature , permet l'échange d'informations à distance entre électrons via un médiateur, améliorer les perspectives d'une architecture à plus grande échelle dans les ordinateurs quantiques spin-qubit.

Le résultat était significatif car il permet à la distance entre les points quantiques d'être suffisamment grande pour une intégration dans la microélectronique plus traditionnelle. La réalisation était un effort conjoint par des physiciens à Copenhague, Sydney et Purdue aux États-Unis.

Le professeur Bartlett a déclaré:"Le principal problème est que pour faire interagir les points quantiques, il faut qu'ils soient ridiculement proches - à quelques nanomètres l'un de l'autre. Mais à cette distance, ils interfèrent les uns avec les autres, rendant l'appareil trop difficile à régler pour effectuer des calculs utiles."

La solution était de permettre aux électrons intriqués de transmettre leurs informations via un « pool » d'électrons, en les éloignant davantage.

Il a déclaré:"C'est un peu comme avoir un bus - un gros médiateur qui permet l'interaction de spins distants. Si vous pouvez autoriser plus d'interactions de spin, alors l'architecture quantique peut passer à des dispositions bidimensionnelles. »

Le professeur agrégé Ferdinand Kuemmeth de l'Institut Niels Bohr de Copenhague a déclaré :« Nous avons découvert qu'un grand point quantique allongé entre les points gauches et les points droits, a médié un échange cohérent d'états de spin, en un milliardième de seconde, sans jamais déplacer les électrons hors de leurs points.

Le professeur Bartlett a déclaré :« Ce que je trouve passionnant dans ce résultat en tant que théoricien, c'est qu'il nous libère de la géométrie contraignante d'un qubit ne s'appuyant que sur ses plus proches voisins."

Bureau de l'engagement mondial

L'histoire de cette expérience remonte à une décennie à un programme américain Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) dirigé par le professeur Charlie Marcus, un co-auteur qui était alors à Harvard avant de déménager à Copenhague.

Le professeur Bartlett a déclaré :« Nous sommes tous allés à Copenhague pour un atelier en 2018, en partie pour travailler sur ce problème. Thomas Evans, un co-auteur de l'article, y est resté deux mois avec le soutien du Bureau pour l'engagement mondial. OGE a également soutenu le Dr Arne Grimsmo, qui travaillait sur un autre projet."

Il a déclaré que l'expérience et nos discussions étaient bien avancées au moment où nous avons obtenu le financement de l'OGE. Mais c'est cet atelier et son financement qui ont permis à l'équipe de Sydney de se rendre à Copenhague pour planifier la prochaine génération d'expériences sur la base de ce résultat.

Le professeur Bartlett a déclaré :« Cette méthode nous permet de séparer un peu plus les points quantiques, ce qui les rend plus faciles à régler séparément et à les faire fonctionner ensemble.

"Maintenant que nous avons ce médiateur, nous pouvons commencer à planifier un tableau bidimensionnel de ces paires de points quantiques."