Pour que les ordinateurs quantiques surpassent leurs homologues classiques en termes de vitesse et de capacité, leurs qubits, qui sont des circuits supraconducteurs pouvant exister dans une combinaison infinie d'états binaires, doivent être sur la même longueur d'onde. Cependant, y parvenir s'est fait au détriment de la taille. Alors que les transistors utilisés dans les ordinateurs classiques ont été réduits à des échelles nanométriques, les qubits supraconducteurs de nos jours sont toujours mesurés en millimètres - un millimètre équivaut à un million de nanomètres.

Combinez les qubits ensemble dans des puces de circuit de plus en plus grandes, et vous vous retrouvez avec, relativement parlant, une grande empreinte physique, ce qui signifie que les ordinateurs quantiques occupent beaucoup d'espace physique. Ce ne sont pas encore des appareils que nous pouvons transporter dans nos sacs à dos ou porter à nos poignets.

Pour réduire les qubits tout en maintenant leurs performances, le domaine a besoin d'une nouvelle façon de construire les condensateurs qui stockent l'énergie qui "alimente" les qubits. En collaboration avec Raytheon BBN Technologies, le laboratoire du professeur Wang Fong-Jen James Hone à Columbia Engineering a récemment démontré un condensateur qubit supraconducteur construit avec des matériaux 2D qui représente une fraction des tailles précédentes.

Pour construire des puces qubit auparavant, les ingénieurs ont dû utiliser des condensateurs planaires, qui placent côte à côte les plaques chargées nécessaires. Empiler ces plaques permettrait d'économiser de l'espace, mais les métaux utilisés dans les condensateurs parallèles conventionnels interfèrent avec le stockage des informations qubit. Dans l'ouvrage en cours, publié le 18 novembre dans Nano Letters , doctorat de Hone. les étudiants Abhinandan Antony et Anjaly Rajendra ont pris en sandwich une couche isolante de nitrure de bore entre deux plaques chargées de diéseléniure de niobium supraconducteur. Ces couches n'ont chacune qu'un seul atome d'épaisseur et sont maintenues ensemble par les forces de van der Waals, l'interaction faible entre les électrons. L'équipe a ensuite combiné leurs condensateurs avec des circuits en aluminium pour créer une puce contenant deux qubits avec une surface de 109 micromètres carrés et seulement 35 nanomètres d'épaisseur, soit 1 000 fois plus petite que les puces produites selon les approches conventionnelles.

Lorsqu'ils ont refroidi leur puce qubit juste au-dessus du zéro absolu, les qubits ont trouvé la même longueur d'onde. L'équipe a également observé des caractéristiques clés qui ont montré que les deux qubits devenaient intriqués et agissaient comme une seule unité, un phénomène connu sous le nom de cohérence quantique; cela signifierait que l'état quantique du qubit pourrait être manipulé et lu via des impulsions électriques, a déclaré Hone. Le temps de cohérence était court - un peu plus de 1 microseconde, contre environ 10 microsecondes pour un condensateur coplanaire construit de manière conventionnelle, mais ce n'est qu'une première étape dans l'exploration de l'utilisation de matériaux 2D dans ce domaine, a-t-il déclaré.

Des travaux séparés publiés sur arXiv en août par des chercheurs du MIT ont également tiré parti du diséléniure de niobium et du nitrure de bore pour construire des condensateurs à plaques parallèles pour les qubits. Les appareils étudiés par l'équipe du MIT ont montré des temps de cohérence encore plus longs - jusqu'à 25 microsecondes - indiquant qu'il est encore possible d'améliorer encore les performances.
À partir de là, Hone et son équipe continueront d'affiner leurs techniques de fabrication et de tester d'autres types de matériaux 2D pour augmenter les temps de cohérence, qui reflètent la durée pendant laquelle le qubit stocke les informations. Les nouvelles conceptions d'appareils devraient pouvoir réduire encore plus les choses, a déclaré Hone, en combinant les éléments dans une seule pile van der Waals ou en déployant des matériaux 2D pour d'autres parties du circuit.

"Nous savons maintenant que les matériaux 2D peuvent détenir la clé pour rendre les ordinateurs quantiques possibles", a déclaré Hone. "Il est encore très tôt, mais des découvertes comme celles-ci inciteront les chercheurs du monde entier à envisager de nouvelles applications de matériaux 2D. Nous espérons voir beaucoup plus de travail dans cette direction à l'avenir." + Explorer plus loin

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