Un nanofil composé de germanium et de silicium (bleu/vert) repose sur des électrodes appelées grilles (or). Les tensions appliquées aux grilles conduisent à la formation de qubits de spin individuels (flèches bleues et rouges) qui peuvent être manipulés par des signaux micro-ondes (impulsion bleue). Dans un seul mode, le qubit est lent et l'information quantique est plus stable (spin bleu). Dans l'autre, le qubit peut être modifié plus rapidement (rotation rouge). Crédit :Université de Bâle, Département de physique
Pour effectuer des calculs, les ordinateurs quantiques ont besoin de qubits pour agir comme des blocs de construction élémentaires qui traitent et stockent les informations. Maintenant, les physiciens ont produit un nouveau type de qubit qui peut être basculé d'un mode de repos stable à un mode de calcul rapide. Le concept permettrait également de combiner un grand nombre de qubits dans un puissant ordinateur quantique, comme l'ont rapporté des chercheurs de l'Université de Bâle et de la TU Eindhoven dans la revue Nature Nanotechnologie.
Par rapport aux bits conventionnels, les bits quantiques (qubits) sont beaucoup plus fragiles et peuvent perdre leur contenu informationnel très rapidement. L'enjeu de l'informatique quantique est donc de maintenir les qubits sensibles stables sur une période de temps prolongée, tout en trouvant des moyens d'effectuer des opérations quantiques rapides. Maintenant, des physiciens de l'Université de Bâle et de la TU Eindhoven ont développé un qubit commutable qui devrait permettre aux ordinateurs quantiques de faire les deux.
Le nouveau type de qubit a un état stable mais lent qui convient au stockage d'informations quantiques. Cependant, les chercheurs ont également pu basculer le qubit dans un mode de manipulation beaucoup plus rapide mais moins stable en appliquant une tension électrique. Dans cet état, les qubits peuvent être utilisés pour traiter les informations rapidement.
Couplage sélectif de spins individuels
Dans leur expérience, les chercheurs ont créé les qubits sous la forme de « tours de trous ». Ceux-ci se forment lorsqu'un électron est délibérément retiré d'un semi-conducteur, et le trou résultant a un spin qui peut adopter deux états, haut et bas — analogue aux valeurs 0 et 1 dans les bits classiques. Dans le nouveau type de qubit, ces spins peuvent être couplés sélectivement - via un photon, par exemple—à d'autres spins en réglant leurs fréquences de résonance.
Cette capacité est vitale, puisque la construction d'un ordinateur quantique puissant nécessite la capacité de contrôler et d'interconnecter sélectivement de nombreux qubits individuels. L'évolutivité est particulièrement nécessaire pour réduire le taux d'erreur dans les calculs quantiques.
Manipulation d'essorage ultrarapide
Les chercheurs ont également pu utiliser l'interrupteur électrique pour manipuler les qubits de spin à une vitesse record. "Le spin peut être inversé de manière cohérente de haut en bas en aussi peu qu'une nanoseconde, ", explique le chef de projet, le professeur Dominik Zumbühl du département de physique de l'Université de Bâle. "Cela permettrait jusqu'à un milliard de commutateurs par seconde. La technologie spin qubit approche donc déjà les vitesses d'horloge des ordinateurs conventionnels d'aujourd'hui."
Pour leurs expériences, les chercheurs ont utilisé un nanofil semi-conducteur composé de silicium et de germanium. Produit à TU Eindhoven, le fil a un petit diamètre d'environ 20 nanomètres. Comme le qubit est donc également extrêmement petit, il devrait en principe être possible d'incorporer des millions voire des milliards de ces qubits sur une puce.
