Les chercheurs ont commencé à utiliser des aimants pour enchevêtrer les qubits, les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques. Cette technique simple pourrait débloquer des capacités complexes.

Lorsque vous appuyez sur un bouton pour ouvrir une porte de garage, cela n’ouvre pas toutes les portes de garage du quartier. En effet, l'ouvre-porte et la porte communiquent en utilisant une fréquence micro-ondes spécifique, une fréquence qu'aucune autre porte à proximité n'utilise.

Des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE), de l'Université de Chicago, de l'Université de l'Iowa et de l'Université de Tohoku au Japon ont commencé à développer des dispositifs qui pourraient utiliser les mêmes principes, c'est-à-dire envoyer des signaux via des aimants plutôt que par voie aérienne. pour connecter des qubits individuels sur une puce, comme indiqué dans un nouvel article publié dans les Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Il s'agit d'une preuve de concept, à température ambiante, d'une technologie quantique évolutive et robuste qui utilise des matériaux conventionnels", a déclaré David Awschalom, professeur de la famille Liew en génie moléculaire et physique à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago; le directeur du Chicago Quantum Exchange; le directeur de Q-NEXT, un centre national de recherche en sciences de l'information quantique du DOE hébergé à Argonne; et le chercheur principal du projet. "La beauté de cette expérience réside dans sa simplicité et dans son utilisation d'une technologie bien établie pour concevoir et finalement emmêler des dispositifs quantiques.

La connexion de qubits via l’intrication quantique est nécessaire pour construire un ordinateur quantique, mais cela peut souvent s’avérer délicat. Avec les centres de lacunes d'azote (NV) – des défauts dans le diamant qui peuvent être utilisés comme qubits – le défi est que pour communiquer entre eux, ils doivent être très, très proches les uns des autres. L'interaction quantique normale entre les centres NV a une portée maximale de quelques nanomètres seulement, soit un millième de la largeur d'un cheveu, et lorsque les centres NV sont si proches les uns des autres, ils ne peuvent pas être intégrés dans une configuration utile.

"Il faut pouvoir mettre la main sur des objets pour connecter des fils et fabriquer un appareil", a déclaré Michael Flatté, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de l'Iowa qui a contribué aux travaux. Flatté est également le scientifique en chef de la société de technologie quantique QuantCAD LLC, une entreprise partenaire du Chicago Quantum Exchange. "Et les nanomètres, c'est tout simplement trop proche pour ça."

C'est là qu'interviennent les aimants.

Il y a deux ans, Flatté et ses collaborateurs ont publié un article théorique proposant d'utiliser un matériau magnétique pour établir une connexion quantique entre les centres NV afin qu'ils puissent être intriqués tout en étant plus éloignés les uns des autres. L'interaction normale entre deux centres NV implique des micro-ondes. Dans ce dispositif proposé, l'aimant reçoit le micro-onde du centre NV et le transmet via "magnon" au NV de l'autre côté.

Dans un aimant, les spins de tous les électrons à l’intérieur pointent dans la même direction, comme des tiges de céréales pointées vers le haut. Un magnon est une légère perturbation des vagues à travers ces rotations, comme une vague que le vent ferait à travers un champ de céréales. Les magnons peuvent aller beaucoup plus loin que les nanomètres, voire mille fois plus loin, en fait, jusqu'à plusieurs micromètres.

"L'échelle micrométrique est assez intéressante car c'est l'échelle typique de nombreux appareils électroniques intégrés, tels que les transistors en silicium dans une puce informatique", a déclaré Flatté. "Donc, si vous deviez fabriquer des objets de cette taille, vous pourriez en obtenir un nombre raisonnable sur une puce."

La connexion des qubits centraux NV avec des aimants permet également une interaction sélective :si deux qubits de l'ordinateur quantique parlaient à une fréquence légèrement différente, ils pourraient s'emmêler sans déranger ni être affectés par les autres qubits, même s'il y avait d'autres qubits entre eux. Cette capacité est extrêmement importante pour le type de travail complexe que les scientifiques souhaitent que les ordinateurs quantiques effectuent.

Cette expérience menée par Awschalom et ses collaborateurs a permis de vérifier que le centre NV pouvait « parler » au matériau magnétique, transmettant ses micro-ondes comme un magnon. De plus, les chiffres correspondent presque parfaitement à ce qui avait été prédit dans l'article théorique d'il y a deux ans.

"Ce travail représente une bonne synergie entre l'expérience et la théorie", a déclaré Masaya Fukami, premier auteur de l'article. Fukami était postdoctorant à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'UChicago pendant l'expérience et travaille maintenant dans la société d'informatique quantique PsiQuantum. "J'ai été vraiment impressionné par la façon dont le modèle a prédit l'expérience. Cela me donne beaucoup de confiance dans ce système."

Maintenant qu'ils ont établi que le centre NV peut communiquer avec l'aimant, l'étape suivante consiste à placer un autre centre NV de l'autre côté et à voir si l'aimant peut établir une connexion quantique entre les deux.

"Il s'agit de la première modalité d'intégration avec des aimants", a déclaré Flatté. "Je pense que c'est une approche très puissante qui pourrait en principe également être appliquée à d'autres systèmes de qubits à semi-conducteurs."

Plus d'informations : Masaya Fukami et al, Couplage de qubits médié par Magnon déterminé via des mesures de dissipation, Actes de l'Académie nationale des sciences (2024). DOI :10.1073/pnas.2313754120

Informations sur le journal : Actes de l'Académie nationale des sciences

Fourni par l'Université de Chicago