Des chercheurs de l'Université de Princeton ont fait un pas en avant important dans la quête pour construire un ordinateur quantique utilisant des composants en silicium, qui sont appréciés pour leur faible coût et leur polyvalence par rapport au matériel des ordinateurs quantiques d'aujourd'hui. L'équipe a montré qu'un bit quantique à spin de silicium (illustré dans la boîte) peut communiquer avec un autre bit quantique situé à une distance significative sur une puce informatique. L'exploit pourrait permettre des connexions entre plusieurs bits quantiques pour effectuer des calculs complexes. Crédit :Felix Borjans, université de Princeton
Imaginez un monde où les gens ne pourraient parler qu'à leur voisin d'à côté, et les messages doivent être transmis de maison en maison pour atteindre des destinations lointaines.
Jusqu'à maintenant, tel a été le cas pour les éléments matériels qui composent un ordinateur quantique au silicium, un type d'ordinateur quantique avec le potentiel d'être moins cher et plus polyvalent que les versions actuelles.
Aujourd'hui, une équipe basée à l'Université de Princeton a surmonté cette limitation et a démontré que deux composants de l'informatique quantique, appelés qubits de "spin" au silicium, peuvent interagir même lorsqu'ils sont relativement éloignés les uns des autres sur une puce informatique. L'étude a été publiée dans la revue La nature .
"La capacité de transmettre des messages sur cette distance sur une puce de silicium ouvre de nouvelles capacités pour notre matériel quantique, " dit Jason Petta, le professeur Eugene Higgins de physique à Princeton et chef de l'étude. « L'objectif à terme est d'avoir plusieurs bits quantiques disposés dans une grille à deux dimensions pouvant effectuer des calculs encore plus complexes. L'étude devrait permettre à terme d'améliorer la communication des qubits sur une puce ainsi que d'une puce à l'autre. "
Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de relever des défis au-delà des capacités des ordinateurs de tous les jours, comme la factorisation de grands nombres. Un peu quantique, ou qubit, peut traiter beaucoup plus d'informations qu'un ordinateur de tous les jours car, alors que chaque bit informatique classique peut avoir une valeur de 0 ou 1, un bit quantique peut représenter une plage de valeurs entre 0 et 1 simultanément.
Pour réaliser la promesse de l'informatique quantique, ces ordinateurs futuristes nécessiteront des dizaines de milliers de qubits pouvant communiquer entre eux. Les prototypes d'ordinateurs quantiques actuels de Google, IBM et d'autres sociétés contiennent des dizaines de qubits fabriqués à partir d'une technologie impliquant des circuits supraconducteurs, mais de nombreux technologues considèrent les qubits à base de silicium comme plus prometteurs à long terme.
Les qubits de spin du silicium présentent plusieurs avantages par rapport aux qubits supraconducteurs. Les qubits de spin du silicium conservent leur état quantique plus longtemps que les technologies de qubit concurrentes. L'utilisation généralisée du silicium pour les ordinateurs de tous les jours signifie que les qubits à base de silicium pourraient être fabriqués à faible coût.
Le défi provient en partie du fait que les qubits de spin du silicium sont constitués d'électrons uniques et sont extrêmement petits.
« Le câblage ou les « interconnexions » entre plusieurs qubits est le plus grand défi vers un ordinateur quantique à grande échelle, " dit James Clarke, directeur du matériel quantique chez Intel, dont l'équipe construit des qubits de silicium en utilisant la ligne de fabrication avancée d'Intel, et qui n'a pas participé à l'étude. "L'équipe de Jason Petta a fait un excellent travail pour prouver que les qubits de spin peuvent être couplés sur de longues distances."
Pour y parvenir, l'équipe de Princeton a connecté les qubits via un "fil" qui transporte la lumière d'une manière analogue aux fils de fibre optique qui transmettent les signaux Internet aux foyers. Dans ce cas, cependant, le fil est en fait une cavité étroite contenant une seule particule de lumière, ou photon, qui récupère le message d'un qubit et le transmet au prochain qubit.
Les deux qubits étaient situés à environ un demi-centimètre, ou environ la longueur d'un grain de riz, une part. Pour mettre cela en perspective, si chaque qubit avait la taille d'une maison, le qubit serait capable d'envoyer un message à un autre qubit situé à 750 miles.
L'étape clé a été de trouver un moyen de faire en sorte que les qubits et le photon parlent la même langue en réglant les trois pour qu'ils vibrent à la même fréquence. L'équipe a réussi à régler les deux qubits indépendamment l'un de l'autre tout en les couplant au photon. Auparavant, l'architecture de l'appareil permettait le couplage d'un seul qubit au photon à la fois.
"Vous devez équilibrer les énergies qubit des deux côtés de la puce avec l'énergie des photons pour que les trois éléments se parlent, " dit Félix Borjans, un étudiant diplômé et premier auteur de l'étude. "C'était la partie vraiment difficile du travail."
Chaque qubit est composé d'un seul électron piégé dans une minuscule chambre appelée double boîte quantique. Les électrons possèdent une propriété appelée spin, qui peut pointer vers le haut ou vers le bas d'une manière analogue à une aiguille de boussole qui pointe vers le nord ou le sud. En zapping l'électron avec un champ micro-onde, les chercheurs peuvent augmenter ou diminuer la rotation pour attribuer au qubit un état quantique de 1 ou 0.
"C'est la première démonstration d'intrication de spins d'électrons dans du silicium séparés par des distances beaucoup plus grandes que les dispositifs abritant ces spins, " dit Thaddeus Ladd, scientifique senior aux Laboratoires HRL et collaborateur sur le projet. "Il n'y a pas si longtemps, il y avait un doute quant à savoir si cela était possible, en raison des exigences contradictoires du couplage des spins aux micro-ondes et de l'évitement des effets des charges bruyantes se déplaçant dans les dispositifs à base de silicium. Il s'agit d'une preuve de possibilité importante pour les qubits de silicium, car elle ajoute une flexibilité substantielle dans la façon de câbler ces qubits et de les disposer géométriquement dans les futures « puces quantiques » à base de silicium. »
La communication entre deux dispositifs qubits distants à base de silicium s'appuie sur les travaux antérieurs de l'équipe de recherche Petta. Dans un article de 2010 dans la revue Science , l'équipe a montré qu'il est possible de piéger des électrons isolés dans des puits quantiques. Dans la revue La nature en 2012, l'équipe a signalé le transfert d'informations quantiques des spins des électrons dans les nanofils aux photons hyperfréquences, et en 2016 en Science ils ont démontré la capacité de transmettre des informations d'un qubit de charge à base de silicium à un photon. Ils ont démontré l'échange d'informations par le voisin le plus proche en qubits en 2017 en Science . Et l'équipe a montré en 2018 dans La nature qu'un qubit de spin au silicium pouvait échanger des informations avec un photon.
Jelena Vuckovic, professeur de génie électrique et professeur Jensen Huang en leadership mondial à l'Université de Stanford, qui n'a pas participé à l'étude, a commenté :« La démonstration des interactions à longue distance entre les qubits est cruciale pour le développement ultérieur des technologies quantiques telles que les ordinateurs quantiques modulaires et les réseaux quantiques. Ce résultat passionnant de l'équipe de Jason Petta est une étape importante vers cet objectif, car il démontre une interaction non locale entre deux spins électroniques séparés de plus de 4 millimètres, médiée par un photon micro-onde. De plus, pour construire ce circuit quantique, l'équipe a utilisé du silicium et du germanium, des matériaux largement utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs. »
