Les ingénieurs quantiques de l'UNSW Sydney ont levé un obstacle majeur qui empêchait les ordinateurs quantiques de devenir une réalité. Ils ont découvert une nouvelle technique qui, selon eux, sera capable de contrôler des millions de qubits de spin, les unités d'information de base d'un processeur quantique au silicium.

Jusqu'à maintenant, les ingénieurs et scientifiques en informatique quantique ont travaillé avec un modèle de preuve de concept de processeurs quantiques en démontrant le contrôle de seulement une poignée de qubits.

Mais avec leurs dernières recherches, publié aujourd'hui dans Avancées scientifiques , l'équipe a trouvé ce qu'elle considère comme "la pièce manquante du puzzle" dans l'architecture de l'ordinateur quantique qui devrait permettre le contrôle des millions de qubits nécessaires à des calculs extraordinairement complexes.

Dr Jarryd Pla, un membre du corps professoral de l'École d'ingénierie électrique et de télécommunications de l'UNSW a déclaré que son équipe de recherche voulait résoudre le problème qui avait bloqué les informaticiens quantiques pendant des décennies :comment contrôler non seulement quelques-uns, mais des millions de qubits sans occuper un espace précieux avec plus de câblage, qui consomme plus d'électricité et génère plus de chaleur.

"Jusqu'à ce point, le contrôle des qubits de spin des électrons reposait sur la fourniture de champs magnétiques micro-ondes en faisant passer un courant dans un fil juste à côté du qubit, " dit le Dr Pla.

« Cela pose de réels défis si nous voulons atteindre les millions de qubits dont un ordinateur quantique aura besoin pour résoudre des problèmes d'importance mondiale, comme la conception de nouveaux vaccins.

"Tout d'abord, les champs magnétiques diminuent très rapidement avec la distance, nous ne pouvons donc contrôler que les qubits les plus proches du fil. Cela signifie que nous aurions besoin d'ajouter de plus en plus de fils à mesure que nous apportions de plus en plus de qubits, ce qui prendrait beaucoup d'espace sur la puce."

Et puisque la puce doit fonctionner à des températures glaciales, en dessous de -270°C, Le Dr Pla dit que l'introduction de plus de fils générerait beaucoup trop de chaleur dans la puce, interférant avec la fiabilité des qubits.

« On revient donc à ne pouvoir contrôler que quelques qubits avec cette technique filaire, " dit le Dr Pla.

Moment d'ampoule

La solution à ce problème impliquait une réinvention complète de la structure de la puce de silicium.

Plutôt que d'avoir des milliers de fils de contrôle sur la même puce de silicium de la taille d'une vignette qui doit également contenir des millions de qubits, l'équipe a examiné la faisabilité de générer un champ magnétique au-dessus de la puce qui pourrait manipuler tous les qubits simultanément.

Cette idée de contrôler tous les qubits simultanément a été posée pour la première fois par des scientifiques en informatique quantique dans les années 1990, mais si loin, personne n'avait trouvé un moyen pratique de le faire, jusqu'à maintenant.

"Nous avons d'abord retiré le fil à côté des qubits, puis nous avons trouvé une nouvelle façon de fournir des champs de contrôle magnétiques à micro-ondes à travers l'ensemble du système. Donc, en principe, nous pourrions fournir des champs de contrôle jusqu'à quatre millions de qubits, " dit le Dr Pla.

Le Dr Pla et son équipe ont introduit un nouveau composant directement au-dessus de la puce de silicium :un prisme de cristal appelé résonateur diélectrique. Lorsque les micro-ondes sont dirigées dans le résonateur, il focalise la longueur d'onde des micro-ondes à une taille beaucoup plus petite.

"Le résonateur diélectrique rétrécit la longueur d'onde en dessous d'un millimètre, nous avons donc maintenant une conversion très efficace de la puissance micro-ondes en champ magnétique qui contrôle les spins de tous les qubits.

"Il y a deux innovations clés ici. La première est que nous n'avons pas besoin de mettre beaucoup de puissance pour obtenir un champ de conduite solide pour les qubits, ce qui signifie essentiellement que nous ne générons pas beaucoup de chaleur. La seconde est que le champ est très uniforme sur toute la puce, afin que des millions de qubits bénéficient tous du même niveau de contrôle."

L'équipe quantique

Bien que le Dr Pla et son équipe aient développé le prototype de la technologie du résonateur, ils n'avaient pas les qubits de silicium pour le tester. Il a donc parlé avec son collègue ingénieur de l'UNSW, Professeur Scientia Andrew Dzurak, dont l'équipe avait, au cours de la dernière décennie, démontré la première et la plus précise des logiques quantiques utilisant la même technologie de fabrication de silicium que celle utilisée pour fabriquer des puces informatiques conventionnelles.

"J'ai été complètement époustouflé lorsque Jarryd est venu me voir avec sa nouvelle idée, " dit le professeur Dzurak, "et nous nous sommes immédiatement mis au travail pour voir comment nous pourrions l'intégrer aux puces qubit que mon équipe a développées.

"Nous avons mis deux de nos meilleurs doctorants sur le projet, Ensar Vahapoglu de mon équipe, et James Slack-Smith de Jarryd's.

« Nous étions ravis lorsque l'expérience s'est avérée concluante. Ce problème de contrôle de millions de qubits m'inquiétait depuis longtemps, car c'était un obstacle majeur à la construction d'un ordinateur quantique à grande échelle. »

Une fois seulement rêvé dans les années 1980, Les ordinateurs quantiques utilisant des milliers de qubits pour résoudre des problèmes d'importance commerciale pourraient maintenant être dans moins d'une décennie. Au-delà de ça, ils devraient apporter une nouvelle puissance de feu pour résoudre les défis mondiaux et développer de nouvelles technologies en raison de leur capacité à modéliser des systèmes extraordinairement complexes.

Changement climatique, conception de médicaments et de vaccins, le décryptage de code et l'intelligence artificielle devraient tous bénéficier de la technologie de l'informatique quantique.

Regarder vers l'avant

Ensuite, l'équipe prévoit d'utiliser cette nouvelle technologie pour simplifier la conception de processeurs quantiques au silicium à court terme.

"Le retrait du fil de commande sur puce libère de l'espace pour des qubits supplémentaires et tous les autres composants électroniques nécessaires à la construction d'un processeur quantique. Cela simplifie beaucoup la tâche de passer à l'étape suivante consistant à produire des appareils avec quelques dizaines de qubits, " dit le professeur Dzurak.

« Bien qu'il y ait des défis d'ingénierie à résoudre avant que des processeurs avec un million de qubits puissent être fabriqués, nous sommes excités par le fait que nous avons maintenant un moyen de les contrôler, " dit le Dr Pla.