Ordinateurs quantiques, avec leurs promesses de créer de nouveaux matériaux et de résoudre des problèmes mathématiques insolubles, sont le rêve de nombreux physiciens. Maintenant, ils s'approchent lentement d'une réalisation viable dans de nombreux laboratoires du monde entier. Mais il reste encore d'énormes défis à relever. Un élément central est la construction de bits quantiques stables - l'unité fondamentale du calcul quantique, appelé "qubit" pour faire court—qui peuvent être mis en réseau ensemble.

Dans une étude publiée dans Matériaux naturels et dirigé par Daniel Jirovec du groupe Katsaros de l'IST Autriche en étroite collaboration avec des chercheurs du Centre interuniversitaire L-NESS de Côme, Italie, les scientifiques ont maintenant créé un nouveau système candidat prometteur pour des qubits fiables.

Absence de filature

Les chercheurs ont créé le qubit en utilisant la rotation de soi-disant trous. Chaque trou est simplement l'absence d'un électron dans un matériau solide. Étonnamment, un disparu, une particule chargée négativement peut être physiquement traitée comme s'il s'agissait d'une particule chargée positivement. Il peut même se déplacer dans le solide lorsqu'un électron voisin remplit le trou. Ainsi, effectivement, le trou décrit comme une particule chargée positivement avance.

Ces trous portent même la propriété de mécanique quantique du spin et peuvent interagir s'ils se rapprochent les uns des autres. "Nos collègues de L-NESS ont superposé plusieurs mélanges différents de silicium et de germanium de quelques nanomètres d'épaisseur. Cela nous permet de confiner les trous à la couche riche en germanium au milieu, " explique Jirovec. " En plus, nous avons ajouté de minuscules fils électriques, appelés portes, pour contrôler le mouvement des trous en leur appliquant une tension. Les trous chargés électriquement positivement réagissent à la tension et peuvent être déplacés de manière extrêmement précise à l'intérieur de leur couche."

À l'aide de ce contrôle à l'échelle nanométrique, les scientifiques ont rapproché deux trous l'un de l'autre pour créer un qubit à partir de leurs spins interactifs. Mais pour faire ce travail, ils devaient appliquer un champ magnétique à l'ensemble de l'installation. Ici, leur approche innovante entre en jeu.

Lier des Qubits

Dans leur configuration, Jirovec et ses collègues non seulement déplacent les trous mais modifient également leurs propriétés. En concevant différentes propriétés de trou, ils ont créé le qubit à partir des deux spins de trous en interaction en utilisant moins de dix millitesla d'intensité de champ magnétique. Il s'agit d'un champ magnétique faible par rapport à d'autres configurations de qubit similaires, qui emploient des champs au moins dix fois plus forts.

Mais pourquoi est-ce pertinent ? "En utilisant notre configuration de germanium en couches, nous pouvons réduire l'intensité du champ magnétique requise et donc permettre la combinaison de notre qubit avec des supraconducteurs, généralement inhibée par de forts champs magnétiques, " dit Jirovec. Les supraconducteurs - des matériaux sans aucune résistance électrique - supportent la liaison de plusieurs qubits en raison de leur nature quantique. Cela pourrait permettre aux scientifiques de construire de nouveaux types d'ordinateurs quantiques combinant semi-conducteurs et supraconducteurs.

En plus des nouvelles possibilités techniques, ces qubits de spin de trous semblent prometteurs en raison de leur vitesse de traitement. Avec jusqu'à cent millions d'opérations par seconde ainsi que leur longue durée de vie pouvant atteindre 150 microsecondes, ils semblent particulièrement viables pour l'informatique quantique. D'habitude, il y a un compromis entre ces propriétés, mais cette nouvelle conception réunit les deux avantages.