Des chercheurs du Centre d'excellence pour le calcul quantique et les technologies de la communication (CQC ² T) travaillant avec Silicon Quantum Computing (SQC) ont localisé le « sweet spot » pour le positionnement des qubits dans le silicium afin de faire évoluer les processeurs quantiques à base d'atomes.

Création de bits quantiques, ou qubits, en plaçant avec précision des atomes de phosphore dans du silicium - la méthode mise au point par CQC ² T Director, la professeure Michelle Simmons, est une approche de pointe dans le développement d'un ordinateur quantique au silicium.

Dans les recherches de l'équipe, publié aujourd'hui dans Communication Nature , le placement de précision s'est avéré essentiel pour développer des interactions robustes - ou un couplage - entre les qubits.

"Nous avons localisé la position optimale pour créer des produits reproductibles, interactions fortes et rapides entre les qubits, " dit le professeur Sven Rogge, qui a dirigé la recherche.

"Nous avons besoin de ces interactions robustes pour concevoir un processeur multi-qubit et, finalement, un ordinateur quantique utile."

Les portes à deux qubits, le bloc de construction central d'un ordinateur quantique, utilisent des interactions entre des paires de qubits pour effectuer des opérations quantiques. Pour les qubits atomiques dans le silicium, des recherches antérieures ont suggéré que pour certaines positions dans le cristal de silicium, les interactions entre les qubits contiennent une composante oscillatoire qui pourrait ralentir les opérations de porte et les rendre difficiles à contrôler.

« Depuis près de deux décennies, la nature oscillatoire potentielle des interactions a été prédite comme un défi pour la mise à l'échelle, " dit le professeur Rogge.

"Maintenant, grâce à de nouvelles mesures des interactions qubit, nous avons développé une compréhension approfondie de la nature de ces oscillations et proposons une stratégie de placement de précision pour rendre l'interaction entre les qubits robuste. C'est un résultat que beaucoup croyaient impossible."

Trouver le "sweet spot" dans les symétries cristallines

Les chercheurs disent qu'ils ont maintenant découvert que l'endroit exact où vous placez les qubits est essentiel pour créer des interactions fortes et cohérentes. Cette idée cruciale a des implications importantes pour la conception de processeurs à grande échelle.

"Le silicium est un cristal anisotrope, ce qui signifie que la direction dans laquelle les atomes sont placés peut influencer de manière significative les interactions entre eux, " dit le Dr Benoit Voisin, auteur principal de la recherche.

"Alors que nous connaissions déjà cette anisotropie, personne n'avait exploré en détail comment il pourrait réellement être utilisé pour atténuer la force d'interaction oscillante."

"Nous avons trouvé qu'il y a un angle spécial, ou sweet spot, dans un plan particulier du cristal de silicium où l'interaction entre les qubits est la plus résiliente. Surtout, ce point idéal est réalisable en utilisant les techniques existantes de lithographie au microscope à effet tunnel (STM) développées à l'UNSW."

"À la fin, le problème et sa solution proviennent directement des symétries cristallines, donc c'est une belle tournure."

À l'aide d'une STM, l'équipe est capable de cartographier la fonction d'onde des atomes dans des images 2D et d'identifier leur emplacement spatial exact dans le cristal de silicium - démontré pour la première fois en 2014 avec des recherches publiées dans Matériaux naturels et avancé dans un 2016 Nature Nanotechnologie papier.

Dans les dernières recherches, l'équipe a utilisé la même technique STM pour observer les détails à l'échelle atomique des interactions entre les qubits d'atomes couplés.

"En utilisant notre technique d'imagerie d'état quantique, nous avons pu observer pour la première fois à la fois l'anisotropie dans la fonction d'onde et l'effet d'interférence directement dans le plan - c'était le point de départ pour comprendre comment ce problème se joue, " dit le Dr Voisin.

"Nous avons compris qu'il fallait d'abord calculer séparément l'impact de chacun de ces deux ingrédients, avant de regarder l'image complète pour résoudre le problème - c'est ainsi que nous pourrions trouver ce point idéal, qui est facilement compatible avec la précision de placement atomique offerte par notre technique de lithographie STM."

Construire un ordinateur quantique en silicium atome par atome

Scientifiques de l'UNSW au CQC ² T mènent le monde dans la course à la construction d'ordinateurs quantiques à base d'atomes en silicium. Les chercheurs du CQC ² T, et sa société de commercialisation liée SQC, sont la seule équipe au monde à avoir la capacité de voir la position exacte de leurs qubits à l'état solide.

En 2019, le groupe Simmons a franchi une étape importante dans son approche de placement de précision, l'équipe ayant d'abord construit la porte à deux qubits la plus rapide en silicium en plaçant deux qubits atomiques proches l'un de l'autre, puis en observant et en mesurant de manière contrôlable leurs états de spin en temps réel. La recherche a été publiée dans La nature .

Maintenant, avec les dernières avancées de l'équipe Rogge, les chercheurs du CQC ² T et SQC sont positionnés pour utiliser ces interactions dans des systèmes à plus grande échelle pour des processeurs évolutifs.

"Être capable d'observer et de placer avec précision des atomes dans nos puces de silicium continue de fournir un avantage concurrentiel pour la fabrication d'ordinateurs quantiques en silicium, " dit le Pr Simmons.

Les Simmons combinés, Les équipes de Rogge et Rahman travaillent avec SQC pour créer le premier ordinateur quantique commercial en silicium. Co-localisé avec CQC ² T sur le campus UNSW Sydney, L'objectif de SQC est de construire la plus haute qualité, processeur quantique le plus stable.