(a) Image électronique à balayage de l'un des dispositifs à points quantiques fabriqués par la fonderie. Quatre points quantiques peuvent être formés dans le silicium (gris foncé), à l'aide de quatre fils de commande indépendants (gris clair). Ces fils sont les boutons de commande qui activent les portes dites quantiques. (b) Schéma du dispositif de réseau bidimensionnel. Chaque Qubit (cercle rouge) peut interagir avec son plus proche voisin dans le réseau bidimensionnel, et contourner un Qubit qui échoue pour une raison ou une autre. Cette configuration est ce que signifie la « deuxième dimension ». Crédit :Université de Copenhague
Ordinateur quantique :L'un des obstacles au progrès dans la quête d'un ordinateur quantique fonctionnel a été que les appareils fonctionnels qui entrent dans un ordinateur quantique et effectuent les calculs réels, les qubits, ont jusqu'à présent été faites par les universités et en petit nombre. Mais ces dernières années, une collaboration paneuropéenne, en partenariat avec le leader français de la microélectronique CEA-Leti, a exploré les transistors du quotidien, présents par milliards dans tous nos téléphones portables, pour leur utilisation comme qubits. La société française Leti fabrique des plaquettes géantes pleines d'appareils, et, après mesure, chercheurs de l'Institut Niels Bohr, Université de Copenhague, ont trouvé que ces dispositifs fabriqués industriellement convenaient comme plate-forme qubit capable de passer à la deuxième dimension, une étape importante pour un ordinateur quantique fonctionnel. Le résultat est maintenant publié dans Communication Nature .
Les points quantiques dans un tableau à deux dimensions sont un pas en avant
L'une des principales caractéristiques des appareils est le réseau bidimensionnel de points quantiques. Ou plus précisément, un réseau deux par deux de points quantiques. "Ce que nous avons montré, c'est que nous pouvons réaliser un contrôle électronique unique dans chacun de ces points quantiques. Ceci est très important pour le développement d'un qubit, car l'une des façons possibles de faire des qubits est d'utiliser le spin d'un seul électron. Il était donc très important pour nous d'atteindre cet objectif de contrôler les électrons uniques et de le faire dans un réseau 2D de points quantiques", dit Fabio Ansaloni, ancien doctorat étudiant, maintenant postdoc au centre pour les appareils quantiques, BNI.
L'utilisation de spins électroniques s'est avérée avantageuse pour la mise en œuvre de qubits. En réalité, leur nature "silencieuse" fait que les spins interagissent faiblement avec l'environnement bruyant, une exigence importante pour obtenir des qubits hautement performants.
L'extension des processeurs des ordinateurs quantiques à la deuxième dimension s'est avérée essentielle pour une mise en œuvre plus efficace des routines de correction d'erreurs quantiques. La correction d'erreur quantique permettra aux futurs ordinateurs quantiques d'être tolérants aux pannes contre les échecs de qubit individuels pendant les calculs.
L'importance de la production à l'échelle industrielle
Professeur assistant au Center for Quantum Devices, BNI, Anasua Chatterjee ajoute :« L'idée originale était de créer un tableau de qubits de spin, descendre à des électrons simples et devenir capable de les contrôler et de les déplacer. En ce sens, c'est vraiment génial que le Leti ait pu livrer les échantillons que nous avons utilisés, ce qui nous a permis d'atteindre ce résultat. Un grand mérite revient au consortium de projet paneuropéen, et un financement généreux de l'UE, nous aidant à passer lentement du niveau d'une seule boîte quantique avec un seul électron à celui d'avoir deux électrons, et maintenant passer aux tableaux à deux dimensions. Les tableaux à deux dimensions sont un très gros objectif, parce que cela commence à ressembler à quelque chose dont vous avez absolument besoin pour construire un ordinateur quantique. Le Leti s'est donc impliqué dans une série de projets au fil des ans, qui ont tous contribué à ce résultat."
Le mérite d'être allé aussi loin appartient à de nombreux projets à travers l'Europe
Le développement a été progressif. En 2015, des chercheurs de Grenoble ont réussi à faire le premier qubit de spin, mais c'était basé sur des trous, pas des électrons. À l'époque, les performances des appareils fabriqués en "régime de trous" n'étaient pas optimales, et la technologie a progressé de sorte que les appareils maintenant au NBI peuvent avoir des réseaux bidimensionnels dans le régime d'un seul électron. Le progrès est triple, les chercheurs expliquent :« D'abord, produire les appareils dans une fonderie industrielle est une nécessité. L'évolutivité d'un système moderne, le processus industriel est essentiel alors que nous commençons à fabriquer de plus grands tableaux, par exemple pour les petits simulateurs quantiques. Seconde, lors de la fabrication d'un ordinateur quantique, vous avez besoin d'un tableau en deux dimensions, et vous avez besoin d'un moyen de connecter le monde extérieur à chaque qubit. Si vous avez 4-5 connexions pour chaque qubit, vous vous retrouvez rapidement avec un nombre irréaliste de fils sortant de la configuration à basse température. Mais ce que nous avons réussi à montrer, c'est que nous pouvons avoir une porte par électron, et vous pouvez lire et contrôler avec la même porte. Et enfin, en utilisant ces outils, nous avons pu déplacer et échanger des électrons uniques de manière contrôlée autour du réseau, un défi en soi."
Les tableaux à deux dimensions peuvent contrôler les erreurs
Le contrôle des erreurs survenant dans les appareils est un chapitre en soi. Les ordinateurs que nous utilisons aujourd'hui produisent beaucoup d'erreurs, mais ils sont corrigés par ce qu'on appelle le code de répétition. Dans un ordinateur conventionnel, vous pouvez avoir des informations dans un 0 ou un 1. Afin d'être sûr que le résultat d'un calcul est correct, l'ordinateur répète le calcul et si un transistor fait une erreur, elle est corrigée à la majorité simple. Si la majorité des calculs effectués dans d'autres transistors pointent vers 1 et non 0, alors 1 est choisi comme résultat. Ce n'est pas possible dans un ordinateur quantique car vous ne pouvez pas faire une copie exacte d'un qubit, la correction d'erreur quantique fonctionne donc d'une autre manière :les qubits physiques de pointe n'ont pas encore de faible taux d'erreur, mais si suffisamment d'entre eux sont combinés dans le tableau 2D, ils peuvent se contrôler, pour ainsi dire. C'est un autre avantage de la matrice 2D maintenant réalisée.
La prochaine étape de ce jalon
Le résultat réalisé à l'Institut Niels Bohr montre qu'il est désormais possible de contrôler des électrons isolés, et réaliser l'expérience en l'absence de champ magnétique. La prochaine étape sera donc de rechercher des spins - des signatures de spin - en présence d'un champ magnétique. Cela sera essentiel pour implémenter des portes à un et deux qubits entre les qubits uniques du tableau. La théorie a montré qu'une poignée de portes à un et deux qubits, appelé un ensemble complet de portes quantiques, suffisent pour permettre le calcul quantique universel.
