Une équipe dirigée par l'Université de Melbourne a mis au point une technique pour intégrer des atomes uniques dans une plaquette de silicium un par un. Leur technologie offre la possibilité de fabriquer des ordinateurs quantiques en utilisant les mêmes méthodes qui nous ont donné des dispositifs conventionnels bon marché et fiables contenant des milliards de transistors.

"Nous pouvions 'entendre' le clic électronique lorsque chaque atome tombait dans l'un des 10 000 sites de notre prototype d'appareil. Notre vision est d'utiliser cette technique pour construire un appareil quantique à très, très grande échelle", déclare le professeur David Jamieson de l'Université. de Melbourne, auteur principal de l'article sur les matériaux avancés décrivant le processus.

Ses co-auteurs sont de l'UNSW Sydney, du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), du Leibniz Institute of Surface Engineering (IOM) et du RMIT Microscopy and Microanalysis Facility.

"Nous pensons que nous pourrions finalement fabriquer des machines à grande échelle basées sur des bits quantiques à un seul atome en utilisant notre méthode et en tirant parti des techniques de fabrication que l'industrie des semi-conducteurs a perfectionnées", déclare-t-il.

Jusqu'à présent, l'implantation d'atomes dans le silicium était un processus aléatoire, où une puce de silicium était recouverte de phosphore qui s'implantait de manière aléatoire, comme des gouttes de pluie sur une fenêtre.

"Nous avons intégré des ions phosphore, en comptant chacun avec précision, dans un substrat de silicium créant une "puce" qubit", qui peut ensuite être utilisée dans des expériences en laboratoire pour tester des conceptions d'appareils à grande échelle."

"Cela nous permettra de concevoir les opérations de logique quantique entre de grands réseaux d'atomes individuels, en conservant des opérations très précises sur l'ensemble du processeur", déclare Andrea Morello, professeur Scientia de l'UNSW, co-auteur de l'article. "Au lieu d'implanter de nombreux atomes dans des emplacements aléatoires et de sélectionner ceux qui fonctionnent le mieux, ils seront désormais placés dans un réseau ordonné, similaire aux transistors des puces informatiques à semi-conducteurs conventionnelles."

"Nous avons utilisé une technologie de pointe développée pour les détecteurs de rayons X sensibles et un microscope à force atomique spécial développé à l'origine pour la mission spatiale Rosetta, ainsi qu'un modèle informatique complet pour la trajectoire des ions implantés dans le silicium, développé en collaboration avec nos collègues en Allemagne", déclare le Dr Alexander (Melvin) Jakob, premier auteur de l'article, également de l'Université de Melbourne.

Cette nouvelle technique peut créer des modèles à grande échelle d'atomes comptés qui sont contrôlés afin que leurs états quantiques puissent être manipulés, couplés et lus.

La technique mise au point par le professeur Jamieson et ses collègues tire parti de la précision du microscope à force atomique, qui possède un porte-à-faux pointu qui « touche » doucement la surface d'une puce avec une précision de positionnement d'à peine un demi-nanomètre, à peu près la même que celle du espacement entre les atomes dans un cristal de silicium.

L'équipe a percé un petit trou dans ce porte-à-faux, de sorte que lorsqu'il était inondé d'atomes de phosphore, on pouvait parfois tomber à travers le trou et s'enfoncer dans le substrat de silicium.

La clé, cependant, était de savoir précisément quand un atome - et pas plus d'un - s'était incrusté dans le substrat. Ensuite, le porte-à-faux pourrait se déplacer vers la position précise suivante sur le réseau.

L'équipe a découvert que l'énergie cinétique de l'atome lorsqu'il s'enfonce dans le cristal de silicium et dissipe son énergie par frottement peut être exploitée pour produire un petit "clic" électronique."

C'est ainsi qu'ils savent qu'un atome s'est incrusté dans le silicium et qu'ils se déplacent vers la position précise suivante.

"Un atome entrant en collision avec un morceau de silicium produit un clic très faible, mais nous avons inventé une électronique très sensible utilisée pour détecter le clic, il est très amplifié et donne un signal fort, un signal fort et fiable", explique le professeur Jamieson.

"Cela nous permet d'être très confiants dans notre méthode. On peut se dire :"Oh, il y a eu un déclic. Un atome vient d'arriver." Nous pouvons maintenant déplacer le porte-à-faux à l'endroit suivant et attendre le prochain atome."

"Avec nos partenaires du Centre, nous avons déjà produit des résultats révolutionnaires sur des qubits à atome unique réalisés avec cette technique, mais cette nouvelle découverte va accélérer nos travaux sur des dispositifs à grande échelle", déclare-t-il.

Qu'est-ce que l'informatique quantique et pourquoi est-ce important ?

Les ordinateurs quantiques effectuent des calculs en utilisant les états variés d'atomes uniques de la même manière que les ordinateurs conventionnels utilisent les bits, l'unité d'information numérique la plus élémentaire.

Mais alors qu'un bit n'a que deux valeurs possibles - 1 ou 0, vrai ou faux - un bit quantique, ou qubit, peut être placé dans une superposition de 0 et 1. Des paires de qubits peuvent être placées dans des états de superposition encore plus particuliers, tels que comme "01 plus 10", appelés états intriqués. L'ajout d'encore plus de qubits crée un nombre exponentiellement croissant d'états intriqués, qui constituent un code informatique puissant qui n'existe pas dans les ordinateurs classiques. Cette densité exponentielle d'informations est ce qui donne aux processeurs quantiques leur avantage informatique.

Cette étrangeté fondamentale de la mécanique quantique a un grand potentiel pour créer des ordinateurs capables de résoudre certains problèmes de calcul que les ordinateurs conventionnels trouveraient impossibles en raison de leur complexité.

Les applications pratiques incluent de nouvelles façons d'optimiser les calendriers et les finances, la cryptographie incassable et la conception informatique de médicaments, peut-être même le développement rapide de nouveaux vaccins.

"Si vous vouliez calculer la structure de la molécule de caféine, une molécule très importante pour la physique, vous ne pouvez pas le faire avec un ordinateur classique car il y a trop d'électrons", explique le professeur Jamieson.

"Tous ces électrons obéissent à la physique quantique et à l'équation de Schrödinger. Mais si vous voulez calculer la structure de cette molécule, il y a tellement d'interactions électron-électron que même les supercalculateurs les plus puissants du monde aujourd'hui ne peuvent pas le faire.

"Un ordinateur quantique pourrait le faire, mais vous avez besoin de nombreux qubits car vous devez corriger des erreurs aléatoires et exécuter un code informatique très compliqué."

Les puces de silicium contenant des réseaux d'atomes dopants uniques peuvent être le matériau de choix pour les dispositifs classiques et quantiques qui exploitent des spins à donneur unique. Par exemple, les donneurs du groupe V implantés dans des cristaux de silicium isotopiquement purifiés sont attractifs pour les ordinateurs quantiques à grande échelle. Les attributs utiles incluent de longues durées de vie de spin nucléaire et électronique de P, des transitions d'horloge hyperfines dans Bi ou des spins nucléaires Sb contrôlables électriquement.

Les architectures prometteuses nécessitent la capacité de fabriquer des réseaux d'atomes dopants individuels proches de la surface avec un rendement élevé. Ici, un système d'électrodes de détection sur puce avec un bruit quadratique moyen de 70 eV (≈20 électrons) est utilisé pour démontrer l'implantation à température ambiante proche d'ions P+ uniques de 14 keV.

Le modèle physique de l'interaction ion-solide montre une confiance de détection d'un seul ion sans précédent de 99,85 ± 0,02 % pour les implants proches de la surface. En conséquence, le rendement pratique du dopage contrôlé du silicium est limité par des facteurs d'ingénierie des matériaux, notamment les oxydes de grille de surface dans lesquels les ions détectés peuvent s'arrêter.

Pour un dispositif avec un oxyde de grille de 6 nm et des implants P+ de 14 keV, une limite de rendement de 98,1 % est démontrée. Des oxydes de grille plus fins permettent à cette limite de converger vers la limite supérieure. L'implantation déterministe d'un seul ion peut donc être une stratégie d'ingénierie des matériaux viable pour les architectures de dopants évolutives dans les dispositifs en silicium. + Explorer plus loin

Un état intriqué à trois qubits a été réalisé dans un réseau entièrement contrôlable de qubits de spin dans du silicium