Dispositif qubit Spin connecté à la carte de circuit imprimé en vue de la mesure. Crédit : Serwan Asaad
Les ingénieurs quantiques de l’UNSW Sydney ont levé un obstacle majeur qui a empêché les ordinateurs quantiques de devenir une réalité : ils ont découvert une nouvelle technique qui, selon eux, sera capable de contrôler des millions de qubits de spin – les unités d’information de base dans un processeur quantique au silicium. .
Jusqu’à présent, les ingénieurs et les scientifiques en informatique quantique ont travaillé avec un modèle de preuve de concept de processeurs quantiques en démontrant le contrôle de seulement une poignée de qubits.
Mais avec leurs dernières recherches, publiées aujourd’hui (13 août 2021) dans Avancées scientifiques, l’équipe a trouvé ce qu’elle considère comme « la pièce manquante du puzzle » dans l’architecture informatique quantique qui devrait permettre le contrôle des millions de qubits nécessaires pour des calculs extraordinairement complexes.
Le Dr Jarryd Pla, membre du corps professoral de l’École d’ingénierie électrique et de télécommunications de l’UNSW, a déclaré que son équipe de recherche voulait résoudre le problème qui bloquait les informaticiens quantiques depuis des décennies : comment contrôler non seulement quelques-uns, mais des millions de qubits sans prendre de précieux espace avec plus de câblage, utilisant plus d’électricité et générant plus de chaleur.
“Jusqu’à ce point, le contrôle des qubits de spin des électrons reposait sur la fourniture de champs magnétiques micro-ondes en faisant passer un courant dans un fil juste à côté du qubit”, explique le Dr Pla.
«Cela pose de réels défis si nous voulons passer aux millions de qubits dont un ordinateur quantique aura besoin pour résoudre des problèmes d’importance mondiale, tels que la conception de nouveaux vaccins.
Dr Jarryd Pla et professeur Andrew Dzurak. Crédit : UNSW
« Tout d’abord, les champs magnétiques diminuent très rapidement avec la distance, nous ne pouvons donc contrôler que les qubits les plus proches du fil. Cela signifie que nous aurions besoin d’ajouter de plus en plus de fils à mesure que nous apportions de plus en plus de qubits, ce qui prendrait beaucoup d’espace sur la puce.
Et comme la puce doit fonctionner à des températures glaciales, inférieures à -270°C, le Dr Pla dit que l’introduction de plus de fils générerait beaucoup trop de chaleur dans la puce, interférant avec la fiabilité des qubits.
“Nous revenons donc à ne pouvoir contrôler que quelques qubits avec cette technique de fil”, explique le Dr Pla.
Moment d’ampoule
La solution à ce problème impliquait une réinvention complète de la structure de la puce de silicium.
Plutôt que d’avoir des milliers de fils de contrôle sur la même puce de silicium de la taille d’une vignette qui doit également contenir des millions de qubits, l’équipe a examiné la possibilité de générer un champ magnétique au-dessus de la puce qui pourrait manipuler tous les qubits simultanément.
Cette idée de contrôler tous les qubits simultanément a d’abord été posée par l’informatique quantique scientifiques dans les années 1990, mais jusqu’à présent, personne n’avait trouvé de moyen pratique de le faire – jusqu’à maintenant.
« Nous avons d’abord retiré le fil à côté des qubits, puis nous avons trouvé un nouveau moyen de fournir des champs de contrôle magnétiques à micro-ondes à travers l’ensemble du système. Donc, en principe, nous pourrions fournir des champs de contrôle jusqu’à quatre millions de qubits », explique le Dr Pla.
Le Dr Pla et son équipe ont introduit un nouveau composant directement au-dessus de la puce de silicium – un prisme de cristal appelé résonateur diélectrique. Lorsque les micro-ondes sont dirigées dans le résonateur, il focalise la longueur d’onde des micro-ondes à une taille beaucoup plus petite.
“Le résonateur diélectrique réduit la longueur d’onde en dessous d’un millimètre, nous avons donc maintenant une conversion très efficace de la puissance micro-ondes en champ magnétique qui contrôle les spins de tous les qubits.
« Il y a ici deux innovations clés. La première est que nous n’avons pas besoin de mettre beaucoup de puissance pour obtenir un champ d’entraînement puissant pour les qubits, ce qui signifie essentiellement que nous ne générons pas beaucoup de chaleur. La seconde est que le champ est très uniforme sur toute la puce, de sorte que des millions de qubits bénéficient tous du même niveau de contrôle.
L’équipe quantique
Bien que le Dr Pla et son équipe aient développé le prototype de la technologie du résonateur, ils n’avaient pas les qubits de silicium pour le tester. Il s’est donc entretenu avec son collègue ingénieur de l’UNSW, le professeur Scientia Andrew Dzurak, dont l’équipe a démontré au cours de la dernière décennie la première et la plus précise des logiques quantiques utilisant la même technologie de fabrication de silicium que celle utilisée pour fabriquer des puces informatiques conventionnelles.
« J’ai été complètement époustouflé lorsque Jarryd est venu me voir avec sa nouvelle idée », déclare le professeur Dzurak, « et nous nous sommes immédiatement mis au travail pour voir comment nous pourrions l’intégrer aux puces qubit que mon équipe a développées.
« Nous avons mis deux de nos meilleurs doctorants sur le projet, Ensar Vahapoglu de mon équipe et James Slack-Smith de Jarryd’s.
« Nous étions ravis lorsque l’expérience s’est avérée fructueuse. Ce problème de contrôle de millions de qubits m’inquiétait depuis longtemps, car il s’agissait d’un obstacle majeur à la construction d’un ordinateur quantique à grande échelle.
Une fois seulement rêvé dans les années 1980, les ordinateurs quantiques utilisant des milliers de qubits pour résoudre des problèmes d’importance commerciale pourraient maintenant être dans moins d’une décennie. Au-delà de cela, ils devraient apporter une nouvelle puissance de feu pour résoudre les défis mondiaux et développer de nouvelles technologies en raison de leur capacité à modéliser des systèmes extraordinairement complexes.
Le changement climatique, la conception de médicaments et de vaccins, le décryptage de code et l’intelligence artificielle devraient tous bénéficier de la technologie de l’informatique quantique.
Regarder vers l’avant
Ensuite, l’équipe prévoit d’utiliser cette nouvelle technologie pour simplifier la conception de processeurs quantiques au silicium à court terme.
« Le retrait du fil de commande sur puce libère de l’espace pour des qubits supplémentaires et tous les autres composants électroniques nécessaires à la construction d’un processeur quantique. Cela rend la tâche de passer à l’étape suivante de production d’appareils avec quelques dizaines de qubits beaucoup plus simple », explique le professeur Dzurak.
« Bien qu’il y ait des défis d’ingénierie à résoudre avant que des processeurs avec un million de qubits puissent être fabriqués, nous sommes enthousiasmés par le fait que nous avons maintenant un moyen de les contrôler», a déclaré le Dr Pla.
Référence : « Single-electron spin resonance in a nanoelectronic device using a global field » par Ensar Vahapoglu, James P. Slack-Smith, Ross CC Leon, Wee Han Lim, Fay E. Hudson, Tom Day, Tuomo Tanttu, Chih Hwan Yang , Arne Laucht, Andrew S. Dzurak et Jarryd J. Pla, 13 août 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126 / sciadv.abg9158
