AG Burkard | Image schématique des nouveaux qubits de spin constitués de quatre électrons (rouge) avec leurs spins (bleu) dans la structure semi-conductrice environnante (gris)
La course à l'ordinateur quantique sera très probablement décidée au bit quantique (qubit) - la plus petite unité d'information de l'ordinateur quantique. Le couplage de plusieurs qubits dans un système informatique est actuellement l'un des plus grands défis du développement des ordinateurs quantiques. Une question clé est de savoir quel système physique et quel matériau conviennent le mieux aux qubits. Le développement de qubits basés sur des supraconducteurs est le plus avancé, mais il y a de plus en plus de signes que la technologie des semi-conducteurs au silicium peut être une alternative prometteuse avec des avantages décisifs dans la production de puces.
Le bit classique est la plus petite unité de stockage de données de nos ordinateurs actuels. Il peut prendre exactement deux valeurs :Un et zéro - ou en d'autres termes :Un courant circule ("un") ou ne circule pas ("zéro"). Le bit quantique, d'autre part, n'est pas limité à ces deux états :il peut prendre un état intermédiaire de un et de zéro en même temps, connu sous le nom de "superposition". Ce n'est qu'au moment de la mesure que cet état intermédiaire est ramené à une valeur fixe. En d'autres termes :alors que les bits normaux ont une valeur définie à un moment donné, les qubits ne prennent une valeur définie qu'au moment de la mesure. Cette propriété est à la base de la puissance de calcul massive que les ordinateurs quantiques peuvent exploiter pour certains problèmes.
Cela rend le stockage de telles informations quantiques beaucoup plus compliqué - un simple "courant activé/désactivé" n'est pas suffisant. Au lieu, les processus les plus rapides et les plus petits dans l'espace et le temps servent de base :des états quantiques d'électrons ou de photons peuvent être utilisés pour implémenter un qubit. Dans le cas des bits quantiques au silicium, le moment angulaire intrinsèque d'un seul électron, le spin de l'électron, est utilisé pour le stockage de l'information. Ici, le sens de rotation de l'électron en combinaison avec son état quantique code l'information quantique. C'est, naturellement, très fragile, car même les perturbations les plus subtiles au niveau atomique peuvent affecter le moment angulaire d'un électron et détruire l'information quantique.
Le défi du jour :coupler des bits quantiques
Une tâche encore plus difficile consiste à interconnecter des bits quantiques car un seul bit quantique n'est pas suffisant pour effectuer une opération arithmétique. Tout comme les ordinateurs standard, les ordinateurs quantiques nécessitent que plusieurs bits (quantiques) soient reliés entre eux pour former un système informatique :par conséquent, les qubits individuels doivent pouvoir interagir les uns avec les autres. Si les qubits à coupler sont éloignés les uns des autres sur la puce, un qubit doit d'abord être amené au voisinage de l'autre avec une sorte de "bus quantique" pour permettre une opération de calcul.
Porte quantique composée de deux électrons de silicium. Le moment angulaire des deux électrons est contrôlé par deux nano-électrodes (VL et VR). Une troisième nano-électrode (VM) coordonne l'interaction des deux électrons. Crédit :Université de Constance
Dans le cas du qubit basé sur le spin, cela signifie que le moment angulaire d'un électron doit être transporté ou transféré à un autre électron avec précision et avec un minimum de perturbation - et pas seulement une fois, mais potentiellement des milliers voire des millions de fois. Un défi pour la science :l'interconnexion des qubits est probablement actuellement le plus gros obstacle au développement des ordinateurs quantiques. « Cela fait une différence que vous configuriez un seul bit quantique ou que vous en associez des dizaines, des centaines ou des milliers d'entre eux. Des interactions peuvent se produire entre les qubits difficiles à contrôler, " décrit le professeur Guido Burkard, professeur de physique théorique de la matière condensée et d'information quantique à l'Université de Constance.
Actuellement, les prototypes d'ordinateurs quantiques les plus avancés réalisent un couplage d'environ 20 à 50 qubits. « C'est déjà un grand succès. il y a encore un long chemin à parcourir avant d'en venir à une application réelle. Des milliers ou des millions de qubits sont nécessaires pour effectuer des opérations arithmétiques significatives, " dit Guido Burkard.
Le potentiel du silicium
Les systèmes informatiques quantiques les plus avancés à ce jour sont basés sur des supraconducteurs. Les systèmes à base de supraconducteurs sont extrêmement puissants, mais ils doivent faire face à des limitations :ils ne fonctionnent pas à température ambiante, mais à des températures juste au-dessus du zéro absolu (autour de -273 C). En outre, les supraconducteurs sont relativement énergivores et relativement gros du point de vue de la miniaturisation technique, de sorte que seul un petit nombre de qubits supraconducteurs tiennent sur une puce.
Parallèlement au développement des qubits supraconducteurs, la recherche s'oriente également vers des systèmes alternatifs. Le silicium est l'un des matériaux les plus prometteurs :« Nous pensons que les qubits semi-conducteurs à base de silicium offrent de belles perspectives, " explique Guido Burkard. Les bits quantiques à base de silicium ont l'avantage que, ne mesurant que quelques nanomètres, ils sont nettement plus petits que les systèmes supraconducteurs. Par conséquent, beaucoup plus d'entre eux peuvent être mis dans une puce informatique, potentiellement des millions. "De plus, l'industrie a déjà des décennies d'expérience dans la technologie des semi-conducteurs au silicium. Le développement et la production de qubits à base de silicium en bénéficient énormément, ce qui n'est pas un mince avantage, " explique Guido Burkard.
Dès 2017, L'équipe de recherche de Guido Burkard, en collaboration avec l'Université de Princeton et l'Université du Maryland, a réussi à créer une "porte quantique" stable pour les qubits de silicium, c'est-à-dire un système de commutation pour les systèmes initialement à deux qubits, capable d'effectuer toutes les opérations de base de l'ordinateur quantique. Un jalon sur lequel les physiciens s'appuient désormais :« Notre tâche est maintenant de faire évoluer et d'interconnecter le plus grand nombre possible de qubits de silicium avec un minimum de diaphonie, " dit Burkard. Pour atteindre cet objectif, il s'est désormais associé à des équipes de recherche de premier plan dans le domaine du développement des qubits dans le cadre de trois grands réseaux de recherche au niveau européen, Allemagne et Bade-Wurtemberg.
