Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre certains des problèmes les plus difficiles auxquels l’humanité est confrontée aujourd’hui. Bien qu'une grande attention ait été portée au calcul de l'information quantique, la transduction de l'information au sein des réseaux quantiques est tout aussi cruciale pour matérialiser le potentiel de cette nouvelle technologie.
Pour répondre à ce besoin, une équipe de recherche du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) introduit actuellement une nouvelle approche pour transduire l'information quantique. L’équipe a manipulé des bits quantiques, appelés qubits, en exploitant le champ magnétique des magnons – des excitations ondulatoires dans un matériau magnétique – qui se produisent dans des disques magnétiques microscopiques. Les chercheurs ont présenté leurs résultats dans la revue Science Advances .
La construction d’un ordinateur quantique programmable et universel constitue l’une des initiatives techniques et scientifiques les plus difficiles de notre époque. La réalisation d’un tel ordinateur présente un grand potentiel pour divers domaines industriels tels que la logistique, la finance et la pharmacie. Cependant, la construction d’un ordinateur quantique pratique a été entravée par la fragilité intrinsèque de la manière dont les informations sont stockées et traitées dans cette technologie. Les informations quantiques sont codées en qubits, qui sont extrêmement sensibles au bruit de leur environnement. De minuscules fluctuations thermiques, d'une fraction de degré, pourraient complètement perturber le calcul.
Cela a incité les chercheurs à répartir les fonctionnalités des ordinateurs quantiques entre des éléments de base distincts, dans le but de réduire les taux d'erreur et d'exploiter les avantages complémentaires de leurs composants.
"Cependant, cela pose le problème du transfert des informations quantiques entre les modules de manière à ce que les informations ne disparaissent pas", explique Mauricio Bejarano, chercheur au HZDR et premier auteur de la publication. "Notre recherche se situe précisément dans cette niche spécifique, transduisant la communication entre des modules quantiques distincts."
La méthode actuellement établie pour transférer des informations quantiques et aborder les qubits consiste à utiliser des antennes micro-ondes. C'est l'approche utilisée par Google et IBM dans leurs puces supraconductrices, la plateforme technologique à l'avant-garde de cette course quantique.
"Nous, de notre côté, abordons les qubits avec des magnons", explique Helmut Schultheiss, physicien du HZDR, qui a supervisé les travaux. "On peut les considérer comme des ondes d'excitation magnétique qui traversent un matériau magnétique. L'avantage ici est que la longueur d'onde des magnons se situe dans la plage micrométrique et est nettement plus courte que les ondes centimétriques de la technologie micro-ondes conventionnelle. Par conséquent, l'empreinte micro-ondes de les magnons coûtent moins d'espace dans la puce."
Le groupe HZDR a étudié l'interaction des magnons et des qubits formés par les lacunes des atomes de silicium dans la structure cristalline du carbure de silicium, un matériau couramment utilisé dans l'électronique de haute puissance. De tels types de qubits sont généralement appelés qubits de spin, étant donné que les informations quantiques sont codées dans l’état de spin de la vacance. Mais comment utiliser les magnons pour contrôler ces types de qubits ?
"En général, les magnons sont générés avec des antennes micro-ondes. Cela pose le problème qu'il est très difficile de séparer le moteur micro-ondes provenant de l'antenne de celui provenant des magnons", explique Bejarano.
Pour isoler les micro-ondes des magnons, l'équipe HZDR a utilisé un phénomène magnétique exotique observable dans des disques magnétiques microscopiques d'un alliage nickel-fer.
"En raison d'un processus non linéaire, certains magnons à l'intérieur du disque possèdent une fréquence bien inférieure à la fréquence d'entraînement de l'antenne. Nous manipulons les qubits uniquement avec ces magnons de fréquence inférieure", indique la recherche.
L’équipe de recherche souligne qu’elle n’a encore effectué aucun calcul quantique. Cependant, ils ont montré qu'il est fondamentalement possible de traiter les qubits exclusivement avec des magnons.
"À ce jour, la communauté de l'ingénierie quantique n'a pas encore réalisé que les magnons pouvaient être utilisés pour contrôler les qubits", souligne Schultheiss. "Mais nos expériences démontrent que ces ondes magnétiques pourraient effectivement être utiles."
Afin de développer davantage leur approche, l'équipe prépare déjà ses projets futurs :elle souhaite essayer de contrôler plusieurs qubits individuels étroitement espacés de telle manière que les magnons interviennent dans leur processus d'intrication, une condition préalable à la réalisation de calculs quantiques.
Leur vision est qu’à long terme, les magnons pourraient être excités par des courants électriques continus avec une telle précision qu’ils s’adresseraient spécifiquement et exclusivement à un seul qubit dans un ensemble de qubits. Cela permettrait d’utiliser des magnons comme bus quantique programmable pour traiter les qubits de manière extrêmement efficace. Bien qu'il reste encore beaucoup de travail à faire, les recherches du groupe soulignent que la combinaison de systèmes magnoniques avec des technologies quantiques pourrait fournir des informations utiles pour le développement d'un ordinateur quantique pratique à l'avenir.
Plus d'informations : Mauricio Bejarano et al, Transduction paramétrique du magnon vers les qubits de spin, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adi2042. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2042
Fourni par l'Association Helmholtz des centres de recherche allemands
