Un groupe de scientifiques internationaux a considérablement allongé la durée pendant laquelle un qubit de spin-orbite dans le silicium peut conserver des informations quantiques pendant, ouvrant une nouvelle voie pour rendre les ordinateurs quantiques au silicium plus évolutifs et fonctionnels.

Les qubits spin-orbite ont été étudiés pendant plus d'une décennie en tant qu'option pour augmenter le nombre de qubits dans un ordinateur quantique, car ils sont faciles à manipuler et à coupler sur de longues distances. Cependant, ils ont toujours montré des temps de cohérence très limités, bien trop court pour les technologies quantiques.

La recherche publiée aujourd'hui dans Matériaux naturels montre que des temps de cohérence longs sont possibles lorsque le couplage spin-orbite est suffisamment fort. En réalité, les scientifiques ont démontré une cohérence fois 10, 000 fois plus long que précédemment enregistré pour les qubits spin-orbite, ce qui en fait un candidat idéal pour la mise à l'échelle des ordinateurs quantiques au silicium.

"Nous avons renversé la sagesse conventionnelle en démontrant des temps de cohérence exceptionnellement longs - environ 10 millisecondes - et donc, que les qubits spin-orbite peuvent être remarquablement robustes, " déclare le professeur de l'UNSW Sven Rogge, Enquêteur en chef, Centre de calcul quantique et de technologie de la communication (CQC2T), qui a dirigé l'équipe de recherche.

Un couplage fort est la clé

La stabilité d'un qubit détermine la durée pendant laquelle il peut conserver les informations quantiques.

Dans les qubits spin-orbite, des informations sont stockées sur le spin de l'électron ainsi que sur son mouvement - comment il « orbite » les atomes dans le réseau de la puce. C'est la force du couplage entre ces deux spins qui maintient le qubit stable et moins susceptible d'être détruit par le bruit électrique dans les appareils.

"L'information quantique dans la plupart des qubits spin-orbite est extrêmement fragile. Notre qubit spin-orbite est spécial car les informations quantiques qui y sont stockées sont très robustes, " dit l'auteur principal, le Dr Takashi Kobayashi, qui a effectué la recherche à UNSW et est maintenant à l'Université de Tohoku.

"L'information est stockée dans l'orientation du spin et de l'orbite de l'électron, pas seulement la rotation. L'orbite circulaire de l'électron chargé et le spin sont verrouillés ensemble comme des engrenages en raison de la très forte attraction dans le couplage spin-orbite.

« L'augmentation de la force de ce couplage spin-orbite nous permet d'atteindre les temps de cohérence considérablement plus longs que nous avons publiés aujourd'hui. »

Ingénierie des temps de cohérence plus longs

Pour augmenter le temps de cohérence, les chercheurs ont d'abord créé des qubits spin-orbite en introduisant des impuretés, appelés atomes dopants accepteurs, dans un cristal de silicium. L'équipe a ensuite modifié la contrainte dans la structure en réseau de silicium de la puce pour générer différents niveaux de couplage spin-orbite.

"Le cristal est spécial car il ne contient que l'isotope du silicium sans spin nucléaire. Cela élimine le bruit magnétique, et parce qu'elle est tendue, la sensibilité au bruit électrique est également réduite. » Dit Kobayashi.

"Notre puce était fixée sur un matériau qui, à basse température, étire le silicium, comme un élastique. L'étirement du réseau à la tension correcte nous a permis d'ajuster le couplage spin-orbite à la valeur optimale."

Le résultat final a produit des temps de cohérence supérieurs à 10, 000 fois plus long que ce que l'on trouvait auparavant dans les qubits spin-orbite.

Cela signifie que l'information quantique est conservée beaucoup plus longtemps, permettant d'effectuer beaucoup plus d'opérations - un tremplin important pour la mise à l'échelle des ordinateurs quantiques.

Mise à l'échelle avec couplage spin-orbite

Pour qu'un ordinateur quantique surpasse un ordinateur classique, un grand nombre de qubits doivent travailler ensemble pour effectuer des calculs complexes.

"La stabilité de notre qubit spin-orbite aux champs électriques est unique, prouvant une nouvelle voie solide pour créer des ordinateurs quantiques évolutifs. » Dit le co-auteur Joe Salfi, qui a effectué la recherche au CQC2T et est maintenant à l'Université de la Colombie-Britannique.

La découverte permet finalement de nouvelles façons de manipuler des qubits individuels et de coupler des qubits sur des distances beaucoup plus grandes, ce qui rendra le processus de fabrication des puces plus flexible.

L'interaction électrique permet également le couplage à d'autres systèmes quantiques, ouvrant les perspectives des systèmes quantiques hybrides.

Des recherches antérieures publiées dans Avancées scientifiques par l'équipe de l'UNSW a montré que le couplage spin-orbite dans le silicium offre de nombreux avantages pour passer à un grand nombre de qubits.

"Les spins dans le silicium sont très attractifs pour les dispositifs d'information quantique évolutifs car ils sont stables et compatibles avec les techniques de traitement informatique actuelles, rendre ces appareils faciles à fabriquer, " dit le professeur Rogge.

« Maintenant que nous avons démontré de longs temps de cohérence, les qubits spin-orbite sont de bons candidats pour un processeur quantique à grande échelle dans le silicium."