Des chercheurs de l'Université de Bâle et du NCCR SPIN ont réalisé la première interaction contrôlable entre deux qubits de spin de trous dans un transistor au silicium conventionnel. Cette avancée ouvre la possibilité d'intégrer des millions de ces qubits sur une seule puce à l'aide de processus de fabrication matures.
La course à la construction d’un ordinateur quantique pratique est bien engagée. Les chercheurs du monde entier travaillent sur une grande variété de technologies de qubits. Jusqu'à présent, il n'y a pas de consensus sur le type de qubit le plus approprié pour maximiser le potentiel de la science de l'information quantique.
Les qubits constituent la base d'un ordinateur quantique :ils assurent le traitement, le transfert et le stockage des données. Pour fonctionner correctement, ils doivent à la fois stocker de manière fiable et traiter rapidement les informations. La base d'un traitement rapide de l'information repose sur des interactions stables et rapides entre un grand nombre de qubits dont les états peuvent être contrôlés de manière fiable de l'extérieur.
Pour qu’un ordinateur quantique soit fonctionnel, des millions de qubits doivent être hébergés sur une seule puce. Les ordinateurs quantiques les plus avancés ne disposent aujourd'hui que de quelques centaines de qubits, ce qui signifie qu'ils ne peuvent effectuer que des calculs déjà possibles (et souvent plus efficaces) sur des ordinateurs conventionnels..
Pour résoudre le problème de l’agencement et de la liaison de milliers de qubits, des chercheurs de l’Université de Bâle et du PRN SPIN s’appuient sur un type de qubit qui utilise le spin (moment cinétique intrinsèque) d’un électron ou d’un trou. Un trou est essentiellement un électron manquant dans un semi-conducteur.
Les trous et les électrons possèdent un spin, qui peut adopter l'un des deux états suivants :haut ou bas, analogue à 0 et 1 dans les bits classiques. Par rapport à un spin électronique, un spin à trous présente l'avantage de pouvoir être entièrement contrôlé électriquement sans nécessiter de composants supplémentaires tels que des micro-aimants sur la puce.
Dès 2022, des physiciens bâlois ont pu montrer que les rotations des trous dans un appareil électronique existant pouvaient être piégées et utilisées comme qubits. Ces « FinFET » (transistors à effet de champ fin) sont intégrés aux smartphones modernes et sont produits dans le cadre de processus industriels largement répandus. Aujourd'hui, une équipe dirigée par le Dr Andreas Kuhlmann a réussi pour la première fois à réaliser une interaction contrôlable entre deux qubits au sein de cette configuration.
Un ordinateur quantique a besoin de « portes quantiques » pour effectuer des calculs. Celles-ci représentent des opérations qui manipulent les qubits et les couplent les uns aux autres. Comme le rapportent les chercheurs dans la revue Nature Physics , ils ont pu coupler deux qubits et provoquer un retournement contrôlé de l'un de leurs spins, en fonction de l'état du spin de l'autre, connu sous le nom de retournement de spin contrôlé.
"Les rotations de trous nous permettent de créer des portes à deux qubits à la fois rapides et haute fidélité. Ce principe permet désormais également de coupler un plus grand nombre de paires de qubits", explique Kuhlmann.
Le couplage de deux qubits de spin est basé sur leur interaction d'échange, qui se produit entre deux particules indiscernables qui interagissent électrostatiquement l'une avec l'autre. Étonnamment, l’énergie d’échange des trous est non seulement contrôlable électriquement, mais fortement anisotrope. C'est une conséquence du couplage spin-orbite, ce qui signifie que l'état de spin d'un trou est influencé par son mouvement dans l'espace.
Pour décrire cette observation dans un modèle, des physiciens expérimentaux et théoriciens de l'Université de Bâle et du PRN SPIN ont combiné leurs forces. "L'anisotropie rend possible les portes à deux qubits sans le compromis habituel entre vitesse et fidélité", explique le Dr Kuhlmann.
"Les qubits basés sur les spins de trous exploitent non seulement la fabrication éprouvée de puces de silicium, mais ils sont également hautement évolutifs et se sont révélés rapides et robustes lors d'expériences." L'étude souligne que cette approche a de fortes chances dans la course au développement d'un ordinateur quantique à grande échelle.
Plus d'informations : Simon Geyer et al, Interaction d'échange anisotrope de deux qubits de spin de trou, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-024-02481-5
Informations sur le journal : Physique de la nature
Fourni par l'Université de Bâle
