Les ingénieurs en informatique quantique de l'UNSW Sydney ont montré qu'ils pouvaient coder des informations quantiques (les données spéciales d'un ordinateur quantique) de quatre manières uniques au sein d'un seul atome, à l'intérieur d'une puce de silicium.
Cet exploit pourrait atténuer certains des défis liés au fonctionnement de dizaines de millions d'unités de calcul quantique dans seulement quelques millimètres carrés d'une puce informatique quantique en silicium.
Dans un article publié dans Nature Communications , les ingénieurs décrivent comment ils ont utilisé les 16 « états » quantiques d'un atome d'antimoine pour coder l'information quantique.
L'antimoine est un atome lourd qui peut être implanté dans une puce de silicium, en remplacement d'un des atomes de silicium existants. Il a été choisi parce que son noyau possède huit états quantiques distincts, plus un électron avec deux états quantiques, ce qui donne un total de 8 x 2 =16 états quantiques, le tout dans un seul atome. Atteindre le même nombre d'états à l'aide de simples bits quantiques (ou qubits, l'unité de base de l'information quantique) nécessiterait la fabrication et le couplage de quatre d'entre eux.
L'auteur principal, Irene Fernandez de Fuentes, affirme que l'équipe, sous la direction du professeur Andrea Morello de Scientia, s'est appuyée sur plus d'une décennie de travaux qui ont établi différentes méthodes de contrôle quantique pour montrer que toutes étaient possibles au sein du même atome. L'atome d'antimoine a été implanté dans la puce par des collègues de l'Université de Melbourne, en utilisant les installations des accélérateurs d'ions lourds de l'Université nationale australienne.
"Tout d'abord, nous avons montré que nous pouvions contrôler l'électron de l'antimoine avec un champ magnétique oscillant, similaire à la percée de 2012, qui était la première fois qu'un qubit était démontré dans le silicium", dit-elle.
"Ensuite, nous avons montré que nous pouvions utiliser un champ magnétique pour manipuler le spin du noyau de l'antimoine. Il s'agit de la méthode standard de résonance magnétique, utilisée par exemple dans les appareils d'IRM des hôpitaux. La troisième méthode consistait à contrôler le noyau de l'atome d'antimoine. avec un champ électrique, quelque chose qui a été découvert par un heureux hasard en 2020.
"Et la quatrième méthode consistait à contrôler à la fois le noyau d'antimoine et l'électron en opposition l'un par rapport à l'autre, en utilisant un champ électrique utilisant des qubits dits flip-flop, ce que cette équipe a démontré l'année dernière.
"Cette dernière expérience montre que ces quatre méthodes peuvent être utilisées dans la même puce de silicium en utilisant la même architecture."
L'avantage d'avoir quatre méthodes différentes est que chaque méthode donne aux ingénieurs informaticiens et aux physiciens plus de flexibilité lors de la conception des futures puces informatiques quantiques.
Par exemple, la résonance magnétique est plus rapide que la résonance électrique, mais le champ magnétique se propage largement dans l’espace et peut donc également affecter les atomes voisins. La résonance électrique, bien que plus lente, peut être appliquée très localement pour sélectionner un atome spécifique sans affecter aucun de ses voisins.
"Avec ce gros atome d'antimoine, nous disposons d'une flexibilité totale quant à la manière dont nous l'intégrons à une structure de contrôle sur une puce de silicium", explique le professeur Morello.
Les ordinateurs quantiques du futur disposeront de millions, voire de milliards de qubits travaillant simultanément pour analyser des chiffres et simuler des modèles en quelques minutes, ce qui prendrait aux superordinateurs d'aujourd'hui des centaines, voire des milliers d'années.
Même si certaines équipes à travers le monde ont progressé avec un grand nombre de qubits, comme le modèle à 70 qubits de Google ou la version d'IBM qui en compte plus de 1 000, elles ont besoin d'espaces beaucoup plus grands pour que leurs qubits fonctionnent sans interférer les uns avec les autres.
Mais l’approche adoptée par le professeur Morello et d’autres collègues à l’UNSW consiste à concevoir l’informatique quantique en utilisant une technologie déjà utilisée pour fabriquer des ordinateurs conventionnels. Bien que les progrès puissent être plus lents en termes de nombre de qubits fonctionnels, l'avantage de l'utilisation du silicium signifiera la possibilité d'avoir des millions de qubits dans un millimètre carré de puce.
"Nous investissons dans une technologie plus dure et plus lente, mais pour de très bonnes raisons, l'une d'entre elles étant l'extrême densité d'informations qu'elle sera capable de traiter", explique le professeur Morello.
"C'est très bien d'avoir 25 millions d'atomes dans un millimètre carré, mais il faut les contrôler un par un. Avoir la flexibilité de le faire avec des champs magnétiques, ou des champs électriques, ou n'importe quelle combinaison de ceux-ci, nous donnera beaucoup de possibilités." options avec lesquelles jouer lors de la mise à l'échelle du système."
Ensuite, le groupe utilisera le vaste espace de calcul de l’atome d’antimoine pour effectuer des opérations quantiques beaucoup plus sophistiquées que celles permises par les qubits ordinaires. Ils prévoient d'encoder un qubit « logique » au sein de l'atome, un qubit construit sur plus de deux niveaux quantiques, afin d'obtenir suffisamment de redondance pour détecter et corriger les erreurs au fur et à mesure qu'elles se produisent.
"C'est la prochaine frontière en matière de matériel informatique quantique pratique et utile", déclare le professeur Morello.
"Être capable de construire un qubit logique corrigé des erreurs au sein d'un seul atome constituera une formidable opportunité de faire évoluer le matériel quantique en silicium jusqu'au point où il deviendra commercialement utile."
Plus d'informations : Irene Fernández de Fuentes et al, Naviguer dans l'espace Hilbert à 16 dimensions d'un donneur à haut spin avec des champs électriques et magnétiques, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-024-45368-y
Fourni par l'Université de Nouvelle-Galles du Sud
