Il s'agit d'une impression d'artiste d'une fonction d'onde électronique (bleu), confiné dans un cristal de 28 atomes de silicium sans spin nucléaire (noir), contrôlé par une grille métallique nanofabriquée (argent). Le spin de l'électron code pour une longue durée de vie, bit quantique haute fidélité. Crédit :Dr Stéphanie Simmons, UNSW Australie.
Deux équipes de recherche travaillant dans les mêmes laboratoires de l'UNSW Australie ont trouvé des solutions distinctes à un défi critique qui a retardé la réalisation d'ordinateurs quantiques super puissants.
Les équipes ont créé deux types de bits quantiques, ou "qubits" - les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques - qui traitent chacun des données quantiques avec une précision supérieure à 99%. Les deux découvertes ont été publiées simultanément aujourd'hui dans la revue Nature Nanotechnologie .
"Pour que l'informatique quantique devienne une réalité, nous devons exploiter les bits avec des taux d'erreur très faibles, " dit le professeur de Scientia Andrew Dzurak, qui est directeur de l'Australian National Fabrication Facility à l'UNSW, où les appareils ont été fabriqués.
"Nous avons maintenant proposé deux voies parallèles pour construire un ordinateur quantique en silicium, dont chacun montre cette super précision, " ajoute le professeur agrégé Andrea Morello de l'École de génie électrique et de télécommunications de l'UNSW.
Les équipes UNSW, qui sont également affiliés au Centre d'excellence ARC pour le calcul quantique et la technologie de communication, ont été les premiers au monde à démontrer des qubits de spin à un seul atome dans le silicium, signalé dans La nature en 2012 et 2013.
Maintenant, l'équipe dirigée par Dzurak a découvert un moyen de créer un qubit « atome artificiel » avec un dispositif remarquablement similaire aux transistors au silicium utilisés dans l'électronique grand public, connu sous le nom de MOSFET. Chercheur post-doctoral Menno Veldhorst, auteur principal de l'article rapportant le qubit de l'atome artificiel, dit, "C'est vraiment incroyable que nous puissions faire un qubit aussi précis en utilisant à peu près les mêmes appareils que ceux que nous avons dans nos ordinateurs portables et téléphones".
Pendant ce temps, L'équipe de Morello a poussé le qubit "naturel" de l'atome de phosphore aux extrêmes de la performance. Dr Juha Muhonen, chercheur post-doctoral et auteur principal de l'article sur les atomes naturels, note :« L'atome de phosphore contient en fait deux qubits :l'électron, et le noyau. Avec le noyau en particulier, nous avons atteint une précision proche de 99,99%. Cela signifie qu'une seule erreur pour 10, 000 opérations quantiques."
Dzurak explique que, "même si des méthodes pour corriger les erreurs existent, leur efficacité n'est garantie que si les erreurs surviennent moins de 1% du temps. Nos expériences sont parmi les premières à l'état solide, et le tout premier en silicium, pour répondre à cette exigence."
Les opérations de haute précision pour les qubits d'atomes naturels et artificiels sont obtenues en plaçant chacun à l'intérieur d'une fine couche de silicium spécialement purifié, contenant uniquement l'isotope du silicium-28. Cet isotope est parfaitement amagnétique et, contrairement à ceux du silicium naturel, ne perturbe pas le bit quantique. Le silicium purifié a été fourni grâce à une collaboration avec le professeur Kohei Itoh de l'Université Keio au Japon.
La prochaine étape pour les chercheurs est de construire des paires de bits quantiques très précis. On s'attend à ce que les grands ordinateurs quantiques se composent de plusieurs milliers ou millions de qubits et puissent intégrer à la fois des atomes naturels et artificiels.
L'équipe de recherche de Morello a également établi un "temps de cohérence" record du monde pour un seul bit quantique maintenu à l'état solide. "Le temps de cohérence est une mesure de combien de temps vous pouvez préserver l'information quantique avant qu'elle ne soit perdue, " dit Morello. Plus le temps de cohérence est long, plus il devient facile d'effectuer de longues séquences d'opérations, et donc des calculs plus complexes.
L'équipe a pu stocker des informations quantiques dans un noyau de phosphore pendant plus de 30 secondes. "Une demi-minute est une éternité dans le monde quantique. Préserver une 'superposition quantique' pendant si longtemps, et à l'intérieur de ce qui est fondamentalement une version modifiée d'un transistor normal, est quelque chose que presque personne ne croyait possible jusqu'à aujourd'hui, " dit Morello.
"Pour nos deux groupes, obtenir simultanément ces résultats spectaculaires avec deux systèmes assez différents est très spécial, en particulier parce que nous sommes vraiment de bons potes, " ajoute Dzurak.
