Un groupe de scientifiques dirigé par la professeure australienne de l'année 2018 Michelle Simmons a réalisé la première porte à deux qubits entre les qubits atomiques dans le silicium, une étape majeure dans la quête de l'équipe pour construire un ordinateur quantique à l'échelle atomique. La pièce maîtresse de la recherche a été publiée aujourd'hui dans une revue de renommée mondiale La nature .

Une porte à deux qubits est le bloc de construction central de tout ordinateur quantique - et la version de l'équipe UNSW est la plus rapide jamais démontrée dans le silicium, terminer une opération en 0,8 nanoseconde, qui est environ 200 fois plus rapide que les autres portes à deux qubits basées sur le spin.

Dans l'approche de groupe de Simmons, une porte à deux qubits est une opération entre deux spins électroniques, comparable au rôle que jouent les portes logiques classiques dans l'électronique conventionnelle. Pour la première fois, l'équipe a pu construire une porte à deux qubits en rapprochant plus que jamais deux qubits d'atomes, puis, en temps réel, observant et mesurant de manière contrôlée leurs états de spin.

L'approche unique de l'équipe en matière d'informatique quantique nécessite non seulement le placement de qubits d'atomes individuels dans le silicium, mais tous les circuits associés à initialiser, contrôler et lire les qubits à l'échelle nanométrique - un concept qui nécessite une précision si exquise qu'on a longtemps pensé qu'il était impossible. Mais avec cette étape importante, l'équipe est désormais en mesure de traduire sa technologie en processeurs évolutifs.

Professeur Simmons, Directeur du Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) et fondateur de Silicon Quantum Computing Pty Ltd., dit que la dernière décennie de résultats précédents a parfaitement préparé l'équipe à repousser les limites de ce qui est considéré comme "humainement possible".

"Les qubits Atom détiennent le record du monde des temps de cohérence les plus longs d'un qubit dans le silicium avec les plus hautes fidélités, " dit-elle. " Grâce à nos technologies de fabrication uniques, nous avons déjà démontré la capacité de lire et d'initialiser des spins d'électrons isolés sur des qubits atomiques dans le silicium avec une très grande précision. Nous avons également démontré que nos circuits à l'échelle atomique ont le bruit électrique le plus faible de tous les systèmes jamais conçus pour se connecter à un qubit semi-conducteur.

"L'optimisation de chaque aspect de la conception de l'appareil avec une précision atomique nous a maintenant permis de construire un système très rapide, porte à deux qubits très précise, qui est la pierre angulaire d'un système évolutif, ordinateur quantique à base de silicium.

"Nous avons vraiment montré qu'il est possible de contrôler le monde à l'échelle atomique et que les avantages de l'approche sont transformationnels, y compris la vitesse remarquable à laquelle notre système fonctionne."

Doyen scientifique de l'UNSW, Professeur Emma Johnston AO, affirme que cet article clé montre à quel point la recherche du professeur Simmons est révolutionnaire.

"Ce fut l'un des derniers jalons de l'équipe de Michelle pour démontrer qu'ils peuvent réellement créer un ordinateur quantique à l'aide de qubits atomiques. Leur prochain objectif majeur est de construire un circuit intégré quantique de 10 qubits, et nous espérons qu'ils y parviendront d'ici 3 à 4 ans. "

Se lever et se rapprocher avec les qubits - une ingénierie avec une précision de seulement quelques millièmes de mètre

En utilisant un microscope à effet tunnel pour placer avec précision et encapsuler des atomes de phosphore dans du silicium, l'équipe a d'abord dû déterminer la distance optimale entre deux qubits pour permettre l'opération cruciale.

"Notre technique de fabrication nous permet de placer les qubits exactement là où nous le voulons. Cela nous permet de concevoir notre porte à deux qubits pour qu'elle soit aussi rapide que possible, ", déclare le co-auteur principal de l'étude, Sam Gorman du CQC2T.

"Non seulement nous avons rapproché les qubits depuis notre dernière percée, mais nous avons appris à contrôler chaque aspect de la conception de l'appareil avec une précision inférieure au nanomètre pour maintenir les hautes fidélités."

Observer et contrôler les interactions qubit en temps réel

L'équipe a ensuite pu mesurer l'évolution des états des qubits en temps réel. Et, le plus excitant, les chercheurs ont montré comment contrôler la force d'interaction entre deux électrons à l'échelle de la nanoseconde.

" Surtout, nous avons pu rapprocher ou éloigner les électrons du qubit, activer et désactiver efficacement l'interaction entre eux, un prérequis pour une porte quantique, ", déclare l'autre co-auteur principal Yu He.

"Le confinement serré des électrons du qubit, unique à notre approche, et le bruit intrinsèquement faible de notre système nous a permis de démontrer la porte à deux qubits la plus rapide en silicium à ce jour. »

"La porte quantique que nous avons démontrée, la porte dite SWAP, est également parfaitement adapté à la navette d'informations quantiques entre les qubits - et, lorsqu'il est combiné avec une seule porte qubit, vous permet d'exécuter n'importe quel algorithme quantique."

Une chose d'impossibilité physique? Plus maintenant

Le professeur Simmons dit qu'il s'agit de l'aboutissement de deux décennies de travail.

"C'est une avancée énorme :pouvoir contrôler la nature à son plus petit niveau pour pouvoir créer des interactions entre deux atomes mais aussi parler individuellement à chacun sans déranger l'autre est incroyable. Beaucoup de gens pensaient que ce ne serait pas possible, " elle dit.

"La promesse a toujours été que si nous pouvions contrôler le monde qubit à cette échelle, ils seraient rapides, et ils le sont bien !"