Les qubits sont les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques, qui ont le potentiel de révolutionner de nombreux domaines de recherche en résolvant des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas.

Mais créer des qubits qui ont la qualité parfaite nécessaire à l'informatique quantique peut être difficile.

Des chercheurs de l'Université du Wisconsin à Madison, de HRL Laboratories LLC et de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) ont collaboré à un projet visant à mieux contrôler les qubits de points quantiques en silicium, permettant une fabrication et une utilisation de meilleure qualité dans des applications plus larges. Les trois institutions sont affiliées au Chicago Quantum Exchange. Le travail a été publié dans Physical Review Letters , et l'auteur principal, J. P. Dodson, est récemment passé de UW–Madison à HRL.

"La cohérence est la chose que nous recherchons ici", déclare Mark Friesen, scientifique émérite en physique à UW-Madison et auteur de l'article. "Notre affirmation est qu'il existe en fait un espoir de créer un tableau très uniforme de points pouvant être utilisés comme qubits."

États quantiques sensibles

Alors que les bits informatiques classiques utilisent des circuits électriques pour représenter deux valeurs possibles (0 et 1), les qubits utilisent deux états quantiques pour représenter 0 et 1, ce qui leur permet de tirer parti des phénomènes quantiques comme la superposition pour effectuer des calculs puissants.

Les qubits peuvent être construits de différentes manières. Une façon de construire un qubit consiste à fabriquer un point quantique, ou une très, très petite cage pour les électrons, formée dans un cristal de silicium. Contrairement aux qubits constitués d'atomes uniques, qui sont tous naturellement identiques, les qubits à points quantiques sont fabriqués par l'homme, ce qui permet aux chercheurs de les personnaliser pour différentes applications.

Mais une clé commune dans les engrenages métaphoriques de ces qubits de silicium est la concurrence entre différents types d'états quantiques. La plupart des qubits utilisent des "états de spin" pour représenter 0 et 1, qui reposent sur une propriété quantique unique appelée spin. Mais si le qubit a d'autres types d'états quantiques avec des énergies similaires, ces autres états peuvent interférer, ce qui rend difficile pour les scientifiques d'utiliser efficacement le qubit.

Dans les points quantiques en silicium, les états qui concurrencent le plus souvent ceux nécessaires au calcul sont les "états de vallée", nommés d'après leur emplacement sur un graphique d'énergie :ils existent dans les "vallées" du graphique.

Pour avoir le qubit de points quantiques le plus efficace, les états de vallée du point doivent être contrôlés de sorte qu'ils n'interfèrent pas avec les états de spin porteurs d'informations quantiques. Mais les états de la vallée sont extrêmement sensibles; les points quantiques reposent sur une surface plane, et s'il y a même un atome supplémentaire sur la surface sous le point quantique, les énergies des états de vallée changent.

Les auteurs de l'étude disent que ces types de défauts à un seul atome sont à peu près "inévitables", ils ont donc trouvé un moyen de contrôler les états de vallée même en présence de défauts. En manipulant la tension aux bornes du point, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient déplacer physiquement le point autour de la surface sur laquelle il repose.

"Les tensions de grille vous permettent de déplacer le point à travers l'interface sur laquelle il se trouve de quelques nanomètres, et ce faisant, vous modifiez sa position par rapport aux caractéristiques à l'échelle atomique", explique Mark Eriksson, professeur John Bardeen et président de l'UW. -Département de physique de Madison, qui a travaillé sur le projet. "Cela modifie les énergies des états de la vallée de manière contrôlable."

"Le message à retenir de cet article", dit-il, "est que les énergies des états de la vallée ne sont pas déterminées pour toujours une fois que vous créez un point quantique. Nous pouvons les régler, et cela nous permet de créer de meilleurs qubits qui vont créer de meilleurs ordinateurs quantiques."

S'appuyer sur l'expertise académique et industrielle

Les matériaux hôtes pour les points quantiques sont « cultivés » avec une composition de couche précise. Le processus est extrêmement technique, et Friesen note que Lisa Edge de HRL Laboratories est une experte mondiale.

"Il faut plusieurs décennies de connaissances pour pouvoir développer correctement ces appareils", déclare Friesen. "Nous collaborons depuis plusieurs années avec HRL, et ils savent très bien mettre à notre disposition des matériaux de très haute qualité."

Le travail a également bénéficié des connaissances de Susan Coppersmith, une théoricienne auparavant à l'UW-Madison qui a déménagé à l'UNSW en 2018. Eriksson affirme que la nature collaborative de la recherche a été cruciale pour son succès.

"Ce travail, qui nous donne beaucoup de nouvelles connaissances sur la façon de contrôler précisément ces qubits, n'aurait pas pu être réalisé sans nos partenaires de HRL et UNSW", déclare Eriksson. "Il existe un fort sentiment de communauté dans la science et la technologie quantiques, et cela fait vraiment avancer le domaine." + Explorer plus loin

Des chercheurs démontrent la correction d'erreurs dans un système qubit en silicium