Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de transformer des domaines tels que la médecine, la cybersécurité et l'intelligence artificielle en résolvant des problèmes d'optimisation difficiles qui sont hors de portée du matériel informatique conventionnel.

Mais la technologie pour fabriquer les appareils à grande échelle n'existe pas encore.

Des chercheurs de l'Université du Texas à Dallas ont mis au point une technique qui pourrait éliminer l'un des défis liés à la mise à l'échelle de la production de dispositifs quantiques en silicium. Les chercheurs ont décrit leur méthode, qui offre un meilleur contrôle et une plus grande précision pendant le processus de fabrication, dans une étude publiée en ligne le 28 mai et dans l'édition imprimée de juillet du Journal of Vacuum Science &Technology B . Le silicium est le matériau de prédilection pour la base des dispositifs quantiques en raison de sa compatibilité avec la technologie conventionnelle des semi-conducteurs.

L'auteur correspondant de l'étude, Dr Reza Moheimani, la James Von Ehr Distinguished Chair in Science and Technology et professeur d'ingénierie des systèmes à la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, a reçu une subvention de 2,4 millions de dollars du département de l'Énergie des États-Unis en 2019 pour développer une technologie de fabrication de précision atomique, le processus de construction de nouveaux matériaux et dispositifs atome par atome.

L'équipe de Moheimani s'attaque à une série de défis liés à la fabrication de dispositifs quantiques.

"Nos derniers travaux augmentent la précision du processus de fabrication, " Moheimani a déclaré. "Nous travaillons également pour augmenter le débit, rapidité et fiabilité."

La méthode des chercheurs pour construire un qubit à base de silicium, ou bit quantique, l'unité d'information de base dans un ordinateur quantique, commence par une surface de silicium atomiquement plane recouverte d'une couche d'hydrogène, qui empêche d'autres atomes ou molécules d'être absorbés par la surface. Prochain, les chercheurs utilisent un microscope à effet tunnel (STM), qui comporte une sonde avec une pointe atomiquement pointue, fonctionnant comme un bras micro-robotique, pour éliminer sélectivement les atomes d'hydrogène de la surface. Le STM a été conçu pour l'imagerie des caractéristiques atomiques sur une surface, cependant, les chercheurs utilisent également l'appareil pour manipuler des atomes dans un mode appelé lithographie par dépassivation à l'hydrogène (HDL).

Le processus minutieux consiste à positionner la pointe sur un atome d'hydrogène, ajouter un signal haute fréquence à la tension de polarisation de l'échantillon de pointe et augmenter l'amplitude du signal haute fréquence jusqu'à ce que l'atome d'hydrogène se détache de la surface, révélant du silicium en dessous. Après qu'un nombre prédéterminé d'atomes d'hydrogène ont été sélectivement éliminés de la surface, du gaz phosphine est introduit dans l'environnement et après un processus spécifique, des atomes de phosphore sont adsorbés à la surface, où chacun fonctionne comme un qubit.

Le problème avec le HDL conventionnel est qu'il peut être facile pour l'opérateur de cueillir le mauvais atome d'hydrogène, ce qui entraîne la création de qubits à des emplacements indésirables. L'utilisation du STM pour le HDL nécessite une tension plus élevée que pour l'imagerie, qui provoque trop souvent l'écrasement de la pointe dans l'échantillon de surface, obligeant l'opérateur à recommencer.

Les chercheurs travaillaient sur leur solution au problème du crash de la pointe STM lorsqu'ils ont découvert une méthode plus précise pour manipuler les atomes de surface.

"La lithographie conventionnelle ne peut pas atteindre la précision atomique requise, " Moheimani a dit. " Le problème est que nous utilisons un microscope pour faire de la lithographie; nous utilisons un appareil pour faire quelque chose pour lequel il n'est pas conçu."

Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient atteindre une plus grande précision en effectuant du HDL en mode imagerie, plutôt que le mode de lithographie classique, avec quelques ajustements à la tension et un changement au système de contrôle de rétroaction de la STM.

"Nous avons réalisé que nous pouvions utiliser cette méthode pour éliminer les atomes d'hydrogène de manière contrôlée, " Moheimani a déclaré. "C'est venu comme une surprise. C'est une de ces choses qui se passe pendant les expériences, et vous essayez de l'expliquer et d'en profiter."

Les ordinateurs quantiques devraient pouvoir stocker plus d'informations que les ordinateurs actuels. Transistors de courant, qui relayent l'information, ne peut pas être plus petit, dit Hamed Alemansour, doctorant en génie mécanique et auteur principal de l'étude.

« Le type de technologie utilisée actuellement pour fabriquer des transistors a atteint ses limites. Il est difficile de réduire davantage la taille par des méthodes conventionnelles, ", a déclaré Alemansour.

Alors qu'un ordinateur conventionnel utilise les valeurs précises de 1 et 0 pour effectuer des calculs, les unités logiques fondamentales d'un ordinateur quantique sont plus fluides, avec des valeurs qui peuvent exister sous la forme d'une combinaison de 1 et de 0 en même temps ou n'importe où entre les deux. Le fait qu'un qubit puisse représenter deux nombres à la fois permet à l'ordinateur quantique de traiter les informations beaucoup plus rapidement.

L'un des prochains défis, Moheimani a dit, sera de développer une technologie permettant d'exploiter plusieurs pointes STM à la fois.

« Et si on pouvait utiliser 10 ou 100 pointes en parallèle les unes avec les autres pour pouvoir faire la même lithographie multipliée par 100 ? Et si on pouvait la faire 10 fois plus vite ? Si on pouvait fabriquer 100 qubits 10 fois plus vite, nous sommes 1, 000 fois mieux déjà, " a déclaré Moheimani.