Les ordinateurs quantiques, des appareils informatiques qui exploitent les principes de la mécanique quantique, pourraient surpasser l’informatique classique sur certaines tâches complexes d’optimisation et de traitement. Dans les ordinateurs quantiques, les unités d'information classiques (bits), qui peuvent avoir une valeur de 1 ou 0, sont remplacées par des bits quantiques ou des qubits, qui peuvent être simultanément dans un mélange de 0 et de 1.
Jusqu’à présent, les qubits ont été réalisés à l’aide de divers systèmes physiques, allant des électrons aux photons et ions. Ces dernières années, certains physiciens quantiques ont expérimenté un nouveau type de qubits, appelés qubits de spin d'Andreev. Ces qubits exploitent les propriétés des matériaux supraconducteurs et semi-conducteurs pour stocker et manipuler des informations quantiques.
Une équipe de chercheurs de l'Université de technologie de Delft, dirigée par Marta Pita-Vidal et Jaap J. Wesdorp, a récemment démontré le couplage fort et réglable entre deux qubits de spin d'Andreev distants. Leur article, publié dans Nature Physics , pourrait ouvrir la voie à la réalisation efficace de portes à deux qubits entre spins distants.
"Les travaux récents sont essentiellement une continuation de nos travaux publiés l'année dernière dans Nature Physics ", a déclaré Christian Kraglund Andersen, auteur correspondant de l'article, à Phys.org. " Dans ce travail antérieur, nous avons étudié un nouveau type de qubit appelé qubit de spin d'Andreev, qui a également été démontré précédemment par des chercheurs de Yale. "
Les qubits de spin d'Andreev exploitent simultanément les propriétés avantageuses des qubits supraconducteurs et semi-conducteurs. Ces qubits sont essentiellement créés en intégrant un point quantique dans un qubit supraconducteur.
"Une fois le nouveau qubit établi, la prochaine question naturelle était de savoir si nous pouvions en coupler deux", a déclaré Andersen. "Un article théorique publié en 2010 suggérait une méthode pour coupler deux de ces qubits, et notre expérience est la première à réaliser cette proposition dans le monde réel."
Dans le cadre de leur étude, Andersen et ses collègues ont d’abord fabriqué un circuit supraconducteur. Par la suite, ils ont déposé deux nanofils semi-conducteurs au-dessus de ce circuit à l'aide d'une aiguille contrôlée avec précision.
"La façon dont nous avons conçu le circuit, les circuits combinés de nanofils et supraconducteurs ont créé deux boucles supraconductrices", a expliqué Andersen. "La particularité de ces boucles est qu'une partie de chaque boucle est un point quantique semi-conducteur. Dans le point quantique, nous pouvons piéger un électron. Ce qui est intéressant, c'est que le courant qui circule autour des boucles dépendra désormais du spin de l'électron piégé. Cet effet est intéressant, car il nous permet de contrôler un supercourant de milliards de paires de Cooper avec un seul spin. "
Le courant combiné des deux boucles supraconductrices couplées réalisées par les chercheurs dépend en fin de compte du spin dans les deux points quantiques. Cela signifie également que les deux spins sont couplés via ce supercourant. Notamment, ce couplage peut également être facilement contrôlé, soit via le champ magnétique traversant les boucles, soit en modulant la tension de grille.
"Nous avons démontré que nous pouvons réellement coupler des rotations sur de "longues" distances à l'aide d'un supraconducteur", a déclaré Andersen. "Normalement, le couplage spin-spin ne se produit que lorsque deux électrons sont très proches. Lorsque l'on compare les plates-formes de qubits basées sur des semi-conducteurs à celles basées sur des qubits supraconducteurs, cette exigence de proximité est l'un des inconvénients architecturaux des semi-conducteurs."
Les qubits supraconducteurs sont connus pour être volumineux, occupant ainsi beaucoup de place dans un appareil. La nouvelle approche introduite par Andersen et ses collègues permet une plus grande flexibilité dans la conception des ordinateurs quantiques, en permettant le couplage de qubits sur de longues distances et leur rapprochement.
Cette étude récente pourrait bientôt ouvrir de nouvelles possibilités pour le développement de dispositifs informatiques quantiques très performants. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient d'étendre l'approche proposée à un plus grand nombre de qubits.
"Nous avons de très bonnes raisons de penser que notre approche pourrait offrir des avancées architecturales significatives pour le couplage de plusieurs qubits à spin", a ajouté Andersen. "Cependant, il existe également des défis expérimentaux. Les temps de cohérence actuels ne sont pas très bons et nous nous attendons à ce que le bain de spin nucléaire du semi-conducteur que nous avons utilisé (InAs) soit à blâmer. Nous aimerions donc passer à une plate-forme plus propre. , par exemple à base de germanium, pour booster les temps de cohérence."
