Impression d'artiste d'un qubit d'atome dans le silicium protégé du bruit de charge causé par les imperfections de l'environnement matériel. Crédit :Tony Melov
Des chercheurs de l'UNSW Sydney ont démontré le niveau de bruit le plus bas jamais enregistré pour un bit quantique à semi-conducteur, ou qubit. La recherche a été publiée dans Matériaux avancés .
Pour que les ordinateurs quantiques effectuent des calculs utiles, l'information quantique doit être précise à près de 100 pour cent. Le bruit de charge, causé par les imperfections de l'environnement matériel qui héberge les qubits, interfère avec les informations quantiques codées sur les qubits, impact sur l'exactitude des informations.
"Le niveau de bruit de charge dans les qubits des semi-conducteurs a été un obstacle critique pour atteindre les niveaux de précision dont nous avons besoin pour les ordinateurs quantiques à grande échelle à correction d'erreurs, " dit l'auteur principal Ludwik Kranz, un doctorat étudiant au Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC) de l'UNSW 2 T) en collaboration avec la société dérivée du Centre, Silicon Quantum Computing (SQC).
"Nos recherches ont démontré que nous pouvons réduire le bruit de charge à un niveau significativement bas, minimiser l'impact qu'il a sur nos qubits, " dit Kranz.
« En optimisant le processus de fabrication de la puce de silicium, nous avons atteint un niveau de bruit 10 fois inférieur à celui enregistré précédemment. Il s'agit du bruit de charge enregistré le plus faible de tous les qubits semi-conducteurs."
Création de qubits silencieux
Les qubits fabriqués à partir d'électrons hébergés sur des qubits atomiques dans le silicium - l'approche que le professeur Simmons défend depuis 2000 - sont une plate-forme prometteuse pour les ordinateurs quantiques à grande échelle.
Cependant, qubits hébergés dans n'importe quelle plate-forme semi-conductrice telle que le silicium, sont sensibles au bruit de charge.
Les recherches de l'équipe ont révélé que la présence de défauts, soit à l'intérieur de la puce de silicium, soit à l'interface avec la surface, contribuait de manière significative au bruit de charge.
"C'était une surprise, comme nous avons passé beaucoup de temps à optimiser la qualité de notre puce de silicium mais cela a montré que même quelques impuretés à proximité peuvent affecter le bruit, " dit Kranz.
En réduisant les impuretés dans la puce de silicium et en positionnant les atomes loin de la surface et des interfaces d'où provient la plupart du bruit, l'équipe a été en mesure de produire le résultat record.
"Nos résultats continuent de montrer que le silicium est un matériau formidable pour héberger des qubits. Grâce à notre capacité à concevoir chaque aspect de l'environnement qubit, nous prouvons systématiquement que les qubits atomiques dans le silicium sont reproductibles, rapide et stable, " déclare la professeure Michelle Simmons, Directeur CQC 2 T.
"Notre prochain défi est de passer au Si-28 cristallin isotopiquement pur pour capitaliser sur les longs temps de cohérence déjà démontrés dans ce système."
L'auteur principal Ludwik Kranz avec un microscope à effet tunnel utilisé pour placer et encapsuler avec précision des atomes de phosphore dans du silicium Crédit :CQC2T
Le timing est tout
En utilisant la puce de silicium nouvellement fabriquée, l'équipe a ensuite réalisé une série d'expériences pour caractériser le bruit de charge, avec des résultats inattendus.
"Nous avons mesuré le bruit de charge en utilisant à la fois un transistor à électrons unique et une paire de qubits couplés par échange qui fournissent collectivement un spectre de bruit de charge cohérent sur une large plage de fréquences, " dit le CQC 2 T co-auteur Dr Sam Gorman.
Les mesures ont révélé un facteur clé qui a un impact sur le bruit de charge :le temps.
« À partir du spectre de bruit que nous avons mesuré, nous savons que plus le calcul est long, plus le bruit affecte notre système, " dit le Dr Gorman.
"Cela a des implications majeures pour la conception des futurs appareils, avec des opérations quantiques devant être achevées dans des délais exceptionnellement courts afin que le bruit de charge ne s'aggrave pas avec le temps, ajouter des erreurs au calcul."
Travailler systématiquement vers un ordinateur quantique au silicium disponible dans le commerce
Pour effectuer des calculs sans erreur requis pour l'informatique quantique à grande échelle, une porte à deux qubits, le bloc de construction central de tout ordinateur quantique, a besoin d'une fidélité ou d'une précision de plus de 99 %. Pour atteindre ce seuil de fidélité, les opérations quantiques doivent être stables et rapides.
Dans un article récent, publié dans Examen physique X - le groupe Simmons, en utilisant leur capacité de précision atomique, a démontré la capacité de lire les qubits en 1 microseconde.
"Cette recherche combinée à nos résultats de bruit de charge les plus bas montre qu'il est possible d'atteindre une fidélité de 99,99 % en qubits atomiques dans le silicium, " dit le professeur Simmons, qui est aussi le fondateur de SQC.
« Notre équipe s'efforce maintenant de fournir tous ces résultats clés sur un seul appareil :rapide, stable, haute fidélité et avec de longs temps de cohérence, ce qui nous rapproche d'un grand pas vers un processeur quantique à grande échelle en silicium."
Le professeur Simmons travaille avec SQC pour construire le premier ordinateur quantique commercial en silicium. Co-localisé avec CQC 2 T sur le campus UNSW Sydney, L'objectif de SQC est de démontrer la capacité requise pour produire de manière fiable un prototype de processeur quantique intégré de 10 qubits d'ici 2023.
« Les résultats de notre équipe confirment en outre que notre approche unique, consistant à positionner avec précision les atomes de phosphore dans le silicium, est une perspective extrêmement prometteuse pour la construction du système corrigé d'erreurs, architecture à grande échelle nécessaire à la commercialisation d'ordinateurs quantiques au silicium, " dit le professeur Simmons.
