Pour la toute première fois, les chercheurs ont mesuré la fidélité, c'est-à-dire la précision des opérations logiques à deux qubits dans le silicium, avec des résultats très prometteurs qui permettront de passer à un processeur quantique à grande échelle.

La recherche, réalisée par l'équipe du professeur Andrew Dzurak à UNSW Engineering, a été publié aujourd'hui dans la revue de renommée mondiale La nature .

Les expériences ont été réalisées par Wister Huang, un doctorat de dernière année. étudiant en génie électrique, et le Dr Henry Yang, chercheur principal à l'UNSW.

"Tous les calculs quantiques peuvent être constitués d'opérations à un qubit et d'opérations à deux qubit - ce sont les éléments constitutifs centraux de l'informatique quantique, " dit le professeur Dzurak.

"Une fois que vous les avez, vous pouvez effectuer n'importe quel calcul, mais la précision des deux opérations doit être très élevée."

En 2015, l'équipe de Dzurak a été la première à construire une porte logique quantique en silicium, rendant possibles les calculs entre deux qubits d'information et éliminant ainsi un obstacle crucial pour faire des ordinateurs quantiques au silicium une réalité.

Un certain nombre de groupes à travers le monde ont depuis démontré des portes à deux qubits en silicium, mais jusqu'à cet article historique d'aujourd'hui, la véritable précision d'une telle porte à deux qubits était inconnue.

Précision cruciale pour le succès quantique

"La fidélité est un paramètre critique qui détermine la viabilité d'une technologie qubit - vous ne pouvez exploiter l'énorme puissance de l'informatique quantique que si les opérations qubit sont presque parfaites, avec seulement de petites erreurs autorisées, " dit le Dr Yang.

Dans cette étude, l'équipe a mis en œuvre et réalisé une analyse comparative de la fidélité basée sur Clifford, une technique permettant d'évaluer la précision des qubits sur toutes les plates-formes technologiques, démontrant une fidélité moyenne de la porte à deux qubits de 98 %.

« Nous avons atteint une telle fidélité en caractérisant et en atténuant les principales sources d'erreur, améliorant ainsi la fidélité des portes au point où des séquences d'étalonnage aléatoires de longueur significative - plus de 50 opérations de porte - pourraient être effectuées sur notre appareil à deux qubits, " dit M. Huang, l'auteur principal de l'article.

Les ordinateurs quantiques auront un large éventail d'applications importantes à l'avenir grâce à leur capacité à effectuer des calculs beaucoup plus complexes à des vitesses beaucoup plus élevées, y compris la résolution de problèmes qui dépassent tout simplement les capacités des ordinateurs d'aujourd'hui.

"Mais pour la plupart de ces applications importantes, des millions de qubits seront nécessaires, et vous allez devoir corriger des erreurs quantiques, même quand ils sont petits, " dit le professeur Dzurak.

"Pour que la correction d'erreur soit possible, les qubits eux-mêmes doivent être très précis en premier lieu, il est donc crucial d'évaluer leur fidélité. »

"Plus vos qubits sont précis, moins vous en avez besoin et par conséquent, plus vite nous pourrons accélérer l'ingénierie et la fabrication pour réaliser un ordinateur quantique à grande échelle. »

Le silicium confirmé comme voie à suivre

Les chercheurs affirment que l'étude est une preuve supplémentaire que le silicium en tant que plate-forme technologique est idéal pour passer au grand nombre de qubits nécessaires à l'informatique quantique universelle. Étant donné que le silicium est au cœur de l'industrie informatique mondiale depuis près de 60 ans, ses propriétés sont déjà bien comprises et les installations de production de puces de silicium existantes peuvent facilement s'adapter à la technologie.

« Si notre valeur de fidélité avait été trop faible, cela aurait posé de sérieux problèmes pour l'avenir de l'informatique quantique sur silicium. Le fait qu'il soit proche de 99% le place dans le stade dont nous avons besoin, et il existe d'excellentes perspectives d'amélioration. Nos résultats montrent immédiatement, comme nous l'avions prévu, que le silicium est une plate-forme viable pour l'informatique quantique à grande échelle, " dit le professeur Dzurak.

« Nous pensons que nous atteindrons des fidélités nettement plus élevées dans un avenir proche, ouvrir la voie à la pleine échelle, calcul quantique tolérant aux pannes. Nous sommes maintenant sur le point d'atteindre une précision de deux qubits suffisamment élevée pour la correction d'erreur quantique. »

Dans un autre article, récemment publié dans Nature Électronique et présenté sur sa couverture, dont le Dr Yang est l'auteur principal, la même équipe a également atteint le record de la porte à 1 qubit la plus précise au monde dans une boîte quantique en silicium, avec une fidélité remarquable de 99,96 %.

"Outre les avantages naturels des qubits de silicium, l'une des principales raisons pour lesquelles nous avons pu obtenir des résultats aussi impressionnants est l'équipe fantastique que nous avons ici à l'UNSW. Mon élève Wister et le Dr Yang sont tous les deux incroyablement talentueux. Ils ont personnellement conçu les protocoles complexes nécessaires à cette expérience de benchmarking, " dit le professeur Dzurak.

D'autres auteurs sur aujourd'hui La nature sont des chercheurs de l'UNSW Tuomo Tanttu, Ross Léon, Fay Hudson, Andrea Morello et Arne Laucht, ainsi que les anciens membres de l'équipe Dzurak Kok Wai Chan, Bas Hensen, Michael Fogarty et Jason Hwang, tandis que le professeur Kohei Itoh de l'université Keio du Japon a fourni des plaquettes de silicium enrichies en isotopes pour le projet.

Doyen de l'ingénierie de l'UNSW, Professeur Mark Hoffman, affirme que cette percée est une preuve supplémentaire que cette équipe de renommée mondiale est en train de faire franchir à l'informatique quantique le seuil du théorique au réel.

"L'informatique quantique est la course à l'espace de ce siècle - et Sydney mène la charge, " dit le professeur Hoffman.

"Cette étape est une autre étape vers la réalisation d'un ordinateur quantique à grande échelle - et elle renforce le fait que le silicium est une approche extrêmement attrayante qui, selon nous, permettra à l'UNSW d'y parvenir en premier."

Les qubits de spin basés sur la technologie CMOS sur silicium - la méthode spécifique développée par le groupe du professeur Dzurak - sont très prometteurs pour l'informatique quantique en raison de leurs longs temps de cohérence et de la possibilité d'exploiter la technologie des circuits intégrés existante pour fabriquer le grand nombre de qubits nécessaires à des applications pratiques.

Le professeur Dzurak dirige un projet visant à faire progresser la technologie des qubits CMOS sur silicium avec Silicon Quantum Computing, Première entreprise australienne d'informatique quantique.

« Notre dernier résultat nous rapproche de la commercialisation de cette technologie. Mon groupe se concentre sur la construction d'une puce quantique pouvant être utilisée pour des applications réelles, " dit le professeur Dzurak.

Un processeur quantique à grande échelle aurait des applications majeures dans la finance, les secteurs de la sécurité et de la santé - cela permettrait d'identifier et de développer de nouveaux médicaments en accélérant considérablement la conception assistée par ordinateur de composés pharmaceutiques, il pourrait contribuer à développer de nouveaux, des matériaux plus légers et plus résistants allant de l'électronique grand public aux avions, et une recherche d'informations plus rapide dans de grandes bases de données.