Les ingénieurs quantiques de l'UNSW Sydney ont créé des atomes artificiels dans des puces de silicium qui offrent une stabilité améliorée pour l'informatique quantique.

Dans un article publié aujourd'hui dans Communication Nature , Des chercheurs en informatique quantique de l'UNSW décrivent comment ils ont créé des atomes artificiels dans une « point quantique » en silicium, un petit espace dans un circuit quantique où les électrons sont utilisés comme qubits (ou bits quantiques), les unités de base de l'information quantique.

Le professeur Scientia Andrew Dzurak explique que contrairement à un atome réel, un atome artificiel n'a pas de noyau, mais il a toujours des coquilles d'électrons qui sifflent autour du centre de l'appareil, plutôt qu'autour du noyau de l'atome.

"L'idée de créer des atomes artificiels à l'aide d'électrons n'est pas nouvelle, en fait, il a d'abord été proposé théoriquement dans les années 1930, puis démontré expérimentalement dans les années 1990, mais pas dans le silicium. Nous en avons d'abord fait une version rudimentaire en silicium en 2013, " dit le professeur Dzurak, qui est lauréat de l'ARC et également directeur de l'Australian National Fabrication Facility à l'UNSW, où le dispositif à points quantiques a été fabriqué.

"Mais ce qui nous passionne vraiment dans nos dernières recherches, c'est que les atomes artificiels avec un nombre plus élevé d'électrons s'avèrent être des qubits beaucoup plus robustes qu'on ne le pensait auparavant, ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés de manière fiable pour les calculs dans les ordinateurs quantiques. C'est important car les qubits basés sur un seul électron peuvent être très peu fiables."

Chimie 101

Le professeur Dzurak compare les différents types d'atomes artificiels créés par son équipe à une sorte de tableau périodique des bits quantiques, ce qui, selon lui, est approprié étant donné que 2019 - lorsque ce travail révolutionnaire a été réalisé - était l'Année internationale du tableau périodique.

« Si vous repensez à votre cours de sciences au lycée, vous vous souvenez peut-être d'un tableau poussiéreux accroché au mur qui énumérait tous les éléments connus dans l'ordre du nombre d'électrons qu'ils possédaient, en commençant par l'hydrogène avec un électron, Hélium avec deux, Lithium avec trois et ainsi de suite.

"Vous vous souviendrez peut-être même qu'à mesure que chaque atome devient plus lourd, avec de plus en plus d'électrons, ils s'organisent en différents niveaux d'orbite, connu sous le nom de « coquilles ».

"Il s'avère que lorsque nous créons des atomes artificiels dans nos circuits quantiques, ils ont aussi des couches d'électrons bien organisées et prévisibles, tout comme le font les atomes naturels du tableau périodique."

Relier les points

Le professeur Dzurak et son équipe de l'École de génie électrique de l'UNSW, y compris un doctorat. l'étudiant Ross Leon qui est également l'auteur principal de la recherche, et le Dr Andre Saraiva—ont configuré un dispositif quantique en silicium pour tester la stabilité des électrons dans les atomes artificiels.

Ils ont appliqué une tension au silicium via une électrode de « grille » de surface métallique pour attirer les électrons de réserve du silicium pour former la boîte quantique, un espace infiniment petit de seulement environ 10 nanomètres de diamètre.

« Alors que nous augmentions lentement la tension, nous attirerions de nouveaux électrons, l'un après l'autre, pour former un atome artificiel dans notre boîte quantique, " dit le Dr Saraiva, qui a dirigé l'analyse théorique des résultats.

"Dans un atome réel, vous avez une charge positive au milieu, étant le noyau, puis les électrons chargés négativement sont maintenus autour de lui sur des orbites tridimensionnelles. Dans notre cas, plutôt que le noyau positif, la charge positive provient de l'électrode de grille qui est séparée du silicium par une barrière isolante en oxyde de silicium, puis les électrons sont suspendus en dessous, chacun en orbite autour du centre de la boîte quantique. Mais plutôt que de former une sphère, ils sont disposés à plat, dans un disque."

Monsieur Léon, qui a mené les expériences, dit que les chercheurs étaient intéressés par ce qui s'est passé lorsqu'un électron supplémentaire a commencé à peupler une nouvelle enveloppe externe. Dans le tableau périodique, les éléments avec un seul électron dans leur enveloppe externe comprennent l'hydrogène et les métaux Lithium, Sodium et Potassium.

"Quand on crée l'équivalent de l'hydrogène, Lithium et Sodium dans la boîte quantique, nous sommes fondamentalement capables d'utiliser cet électron isolé sur la coque externe comme qubit, " dit Ross.

"Jusqu'à maintenant, les imperfections des dispositifs silicium au niveau atomique ont perturbé le comportement des qubits, conduisant à un fonctionnement peu fiable et à des erreurs. Mais il semble que les électrons supplémentaires dans les couches internes agissent comme une « amorce » sur la surface imparfaite de la boîte quantique, lisser les choses et donner de la stabilité à l'électron dans l'enveloppe externe."

Regardez le tour

Atteindre la stabilité et le contrôle des électrons est une étape cruciale pour que les ordinateurs quantiques à base de silicium deviennent une réalité. Lorsqu'un ordinateur classique utilise des « bits » d'informations représentés par un 0 ou un 1, les qubits d'un ordinateur quantique peuvent stocker simultanément les valeurs 0 et 1. Cela permet à un ordinateur quantique d'effectuer des calculs en parallèle, plutôt que l'un après l'autre comme le ferait un ordinateur conventionnel. La puissance de traitement des données d'un ordinateur quantique augmente alors de façon exponentielle avec le nombre de qubits dont il dispose.

C'est le spin d'un électron que nous utilisons pour coder la valeur du qubit, explique le professeur Dzurak.

"La rotation est une propriété de la mécanique quantique. Un électron agit comme un minuscule aimant et selon la façon dont il tourne, son pôle nord peut pointer vers le haut ou vers le bas, correspondant à un 1 ou à un 0.

"Lorsque les électrons dans un atome réel, ou nos atomes artificiels, former une coque complète, ils alignent leurs pôles dans des directions opposées de sorte que le spin total du système soit nul, les rendant inutiles en tant que qubit. Mais quand nous ajoutons un électron de plus pour commencer une nouvelle coquille, cet électron supplémentaire a un spin que nous pouvons à nouveau utiliser comme qubit.

"Nos nouveaux travaux montrent que nous pouvons contrôler le spin des électrons dans les enveloppes externes de ces atomes artificiels pour nous donner des qubits fiables et stables.

"C'est vraiment important car cela signifie que nous pouvons maintenant travailler avec des qubits beaucoup moins fragiles. Un électron est une chose très fragile. Cependant un atome artificiel avec 5 électrons, ou 13 électrons, est beaucoup plus robuste."

L'avantage du silicium

Le groupe du professeur Dzurak a été le premier au monde à démontrer la logique quantique entre deux qubits dans des dispositifs au silicium en 2015, et a également publié une conception pour une architecture de puce informatique quantique à grande échelle basée sur la technologie CMOS, qui est la même technologie utilisée pour fabriquer toutes les puces informatiques modernes.

"En utilisant la technologie CMOS au silicium, nous pouvons réduire considérablement le temps de développement des ordinateurs quantiques avec les millions de qubits qui seront nécessaires pour résoudre des problèmes d'importance mondiale, comme la conception de nouveaux médicaments, ou de nouveaux catalyseurs chimiques pour réduire la consommation d'énergie", dit le professeur Dzurak.

Dans la continuité de cette dernière percée, le groupe explorera comment les règles de la liaison chimique s'appliquent à ces nouveaux atomes artificiels, pour créer des « molécules artificielles ». Ceux-ci seront utilisés pour créer des portes logiques multi-qubit améliorées nécessaires à la réalisation d'un ordinateur quantique au silicium à grande échelle.