Des chercheurs du MIT ont mis au point un procédé pour fabriquer et intégrer « des atomes artificiels, " créé par des défauts à l'échelle atomique dans des tranches de diamant microscopiquement minces, avec circuit photonique, produisant la plus grande puce quantique de ce type.

La réalisation « marque un tournant » dans le domaine des processeurs quantiques évolutifs, dit Dirk Englund, professeur agrégé au Département de génie électrique et d'informatique du MIT. Des millions de processeurs quantiques seront nécessaires pour construire des ordinateurs quantiques, et la nouvelle recherche démontre un moyen viable d'augmenter la production de processeurs, lui et ses collègues notent.

Contrairement aux ordinateurs classiques, qui traitent et stockent des informations en utilisant des bits représentés par des 0 et des 1, les ordinateurs quantiques fonctionnent à l'aide de bits quantiques, ou qubits, qui peut représenter 0, 1, Ou les deux à la fois. Cette étrange propriété permet aux ordinateurs quantiques d'effectuer simultanément plusieurs calculs, résoudre des problèmes qui seraient insolubles pour les ordinateurs classiques.

Les qubits de la nouvelle puce sont des atomes artificiels fabriqués à partir de défauts de diamant, qui peut être poussé avec de la lumière visible et des micro-ondes pour émettre des photons porteurs d'informations quantiques. Le processus, qu'Englund et son équipe décrivent dans La nature , est une approche hybride, dans lequel des "micro chiplets quantiques" soigneusement sélectionnés contenant de multiples qubits à base de diamant sont placés sur un circuit intégré photonique en nitrure d'aluminium.

"Au cours des 20 dernières années d'ingénierie quantique, il a été la vision ultime de fabriquer de tels systèmes de qubit artificiels à des volumes comparables à l'électronique intégrée, " dit Englund. " Bien qu'il y ait eu des progrès remarquables dans ce domaine de recherche très actif, les complications de fabrication et de matériaux n'ont jusqu'à présent donné que deux à trois émetteurs par système photonique. »

En utilisant leur méthode hybride, Englund et ses collègues ont pu construire un système de 128 qubits, la plus grande puce atomique-photonique artificielle intégrée à ce jour.

Contrôle qualité des chips

Les atomes artificiels dans les chiplets sont constitués de centres de couleur en diamants, défauts dans le réseau de carbone du diamant où les atomes de carbone adjacents sont manquants, avec leurs espaces soit remplis par un élément différent, soit laissés vacants. Dans les chiplets du MIT, les éléments de remplacement sont le germanium et le silicium. Chaque centre fonctionne comme un émetteur semblable à un atome dont les états de spin peuvent former un qubit. Les atomes artificiels émettent des particules colorées de lumière, ou photons, qui portent l'information quantique représentée par le qubit.

Les centres de couleur de diamant font de bons qubits à l'état solide, mais "le goulot d'étranglement avec cette plate-forme est en fait la construction d'une architecture de système et de périphérique qui peut évoluer jusqu'à des milliers et des millions de qubits, " explique Wan. " Les atomes artificiels sont dans un cristal solide, et la contamination indésirable peut affecter des propriétés quantiques importantes telles que les temps de cohérence. Par ailleurs, les variations au sein du cristal peuvent rendre les qubits différents les uns des autres, et cela rend difficile la mise à l'échelle de ces systèmes."

Au lieu d'essayer de construire une grande puce quantique entièrement en diamant, les chercheurs ont décidé d'adopter une approche modulaire et hybride. "Nous utilisons des techniques de fabrication de semi-conducteurs pour fabriquer ces petites puces de diamant, parmi lesquels nous sélectionnons uniquement les modules qubit de la plus haute qualité, ", dit Wan. "Ensuite, nous intégrons ces puces pièce par pièce dans une autre puce qui "connecte" les puces ensemble dans un appareil plus grand."

L'intégration se fait sur un circuit intégré photonique, qui est analogue à un circuit intégré électronique mais utilise des photons plutôt que des électrons pour transporter des informations. La photonique fournit l'architecture sous-jacente pour router et commuter les photons entre les modules du circuit avec une faible perte. La plate-forme du circuit est en nitrure d'aluminium, plutôt que le silicium traditionnel de certains circuits intégrés.

En utilisant cette approche hybride de circuits photoniques et de chiplets de diamant, les chercheurs ont pu connecter 128 qubits sur une seule plate-forme. Les qubits sont stables et de longue durée de vie, et leurs émissions peuvent être réglées dans le circuit pour produire des photons spectralement indiscernables, selon Wan et ses collègues.

Une approche modulaire

Alors que la plate-forme offre un processus évolutif pour produire des puces atomiques-photoniques artificielles, la prochaine étape sera de "l'allumer, " pour ainsi dire, pour tester ses capacités de traitement.

« C'est une preuve de concept que les émetteurs qubit à l'état solide sont des technologies quantiques très évolutives, " dit Wan. " Afin de traiter l'information quantique, la prochaine étape serait de contrôler ces grands nombres de qubits et d'induire également des interactions entre eux."

Les qubits dans ce type de conception de puce ne devraient pas nécessairement être ces centres de couleur de diamant particuliers. D'autres concepteurs de puces peuvent choisir d'autres types de centres de couleur de diamant, défauts atomiques dans d'autres cristaux semi-conducteurs comme le carbure de silicium, certains points quantiques semi-conducteurs, ou des ions de terres rares dans des cristaux. "Parce que la technique d'intégration est hybride et modulaire, nous pouvons choisir le meilleur matériau adapté à chaque composant, plutôt que de se fier aux propriétés naturelles d'un seul matériau, nous permettant ainsi de combiner les meilleures propriétés de chaque matériau disparate en un seul système, " dit Lou.

Trouver un moyen d'automatiser le processus et de démontrer une intégration plus poussée avec des composants optoélectroniques tels que des modulateurs et des détecteurs sera nécessaire pour construire des puces encore plus grandes nécessaires aux ordinateurs quantiques modulaires et aux répéteurs quantiques multicanaux qui transportent des qubits sur de longues distances, disent les chercheurs.

D'autres auteurs sur le La nature papier incluent les chercheurs du MIT Noel H. Wan, Tsung-Ju Lu, Kevin C. Chen, Michael P. Walsh, Matthieu E. Trusheim, Lorenzo De Santis, Eric A. Bersin, Isaac B. Harris, Sara L. Mouradian et Ian R. Christen; avec Edward S. Bielejec aux Laboratoires nationaux Sandia.