Des chercheurs inventent une nouvelle architecture pour l’informatique quantique

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Une nouvelle architecture, basée sur des qubits dits “flip-flop”, permet de créer un processeur quantique en silicium qui peut être mis à l’échelle sans le placement précis d’atomes requis dans d’autres approches. Il est important de noter qu’elle permet de placer des qubits à des centaines de nanomètres (nm) de distance tout en restant couplés.

Vue schématique d'un processeur quantique à grande échelle basé sur des donneurs de phosphore (31P) dans du silicium, exploité et couplé par l'utilisation d'un dipôle électrique induit. Les qubits inactifs ont des électrons à l'interface, laissant le noyau 31P dans l'état ionisé ultra-cohérent. Les électrons sont partiellement décalés vers le donneur pour les opérations quantiques. Le croquis montre une architecture possible où un groupe de qubits est couplé localement via le dipôle électrique, et un sous-groupe de celui-ci est couplé à un autre groupe par interaction avec une cavité micro-ondes partagée (aqua). Crédit image : Guilherme Tosi, Université de New South Wales.

Vue schématique d’un processeur quantique à grande échelle basé sur le phosphore (31P) dans du silicium, exploité et couplé par l’utilisation d’un dipôle électrique induit. Les qubits inactifs ont des électrons à l’interface, ce qui laisse le 31P dans l’état ionisé ultra-cohérent. Les électrons sont partiellement décalés vers le donneur pour les opérations quantiques. Le croquis montre une architecture possible où un groupe de qubits est couplé localement via le dipôle électrique, et un sous-groupe de celui-ci est couplé à un autre groupe par interaction avec une cavité micro-ondes partagée (aqua). Crédit image : Guilherme Tosi, Université de New South Wales.

“C’est une conception brillante, et comme beaucoup de sauts conceptuels de ce type, il est étonnant que personne n’y ait pensé avant”, a déclaré Andrea Morello, professeur d’ingénierie quantique à l’Université de New South Wales en Australie et auteur principal d’un article publié dans le journal. Nature Communications.

“Ce que nous avons inventé est une nouvelle façon de définir un ‘qubit de spin’ qui utilise à la fois l’électron et le noyau de l’atome.”

“De manière cruciale, ce nouveau qubit peut être contrôlé à l’aide de signaux électriques, au lieu de signaux magnétiques. Les signaux électriques sont beaucoup plus faciles à distribuer et à localiser dans une puce électronique.”

“Cette conception permet de contourner un défi auquel tous les qubits en silicium basés sur le spin devaient être confrontés alors que les équipes commencent à construire des réseaux de qubits de plus en plus grands : la nécessité de les espacer à une distance de seulement 10-20 nm, soit à peine 50 atomes les uns des autres”, ajoute l’auteur principal, le Dr Guilherme Tosi, également de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud.

“S’ils sont trop proches ou trop éloignés, l’intrication entre les bits quantiques – qui rend les ordinateurs quantiques si spéciaux – ne se produit pas.”

“Si nous voulons fabriquer un réseau de milliers ou de millions de qubits aussi proches les uns des autres, cela signifie que toutes les lignes de contrôle, l’électronique de contrôle et les dispositifs de lecture doivent également être fabriqués à cette échelle nanométrique, et avec ce pas et cette densité d’électrodes. Ce nouveau concept suggère une autre voie”, a déclaré le professeur Morello.

“À l’autre extrémité du spectre, on trouve les circuits supraconducteurs – poursuivis par exemple par IBM et Google – et les pièges à ions. Ces systèmes sont plus grands et plus faciles à fabriquer, et sont actuellement en tête pour le nombre de qubits pouvant être exploités. Toutefois, en raison de leurs dimensions plus importantes, ils pourraient, à long terme, être confrontés à des difficultés lorsqu’il s’agira d’assembler et de faire fonctionner des millions de qubits, comme l’exigent les algorithmes quantiques les plus utiles.”

“Notre nouvelle approche basée sur le silicium se situe juste au bon endroit. Elle est plus facile à fabriquer que les dispositifs à l’échelle atomique, tout en nous permettant de placer un million de qubits sur un millimètre carré.”

Dans le qubit à un atome utilisé par les chercheurs, une puce de silicium est recouverte d’une couche d’oxyde de silicium isolante, sur laquelle repose un motif d’électrodes métalliques qui fonctionnent à des températures proches du zéro absolu et en présence d’un champ magnétique très puissant.

Au cœur se trouve un atome de phosphore, à partir duquel l’équipe a précédemment construit deux qubits fonctionnels en utilisant un électron et le noyau de l’atome. Ces qubits, pris individuellement, ont démontré des temps de cohérence record.

La percée conceptuelle de l’équipe est la création d’un tout nouveau type de qubit, utilisant à la fois le noyau et l’électron.

Dans cette approche, un état “0” du qubit est défini lorsque le spin de l’électron est bas et que le spin du noyau est haut, tandis que l’état “1” est défini lorsque le spin de l’électron est haut et que le spin nucléaire est bas.

“Nouson l’appelle le qubit “flip-flop”. Pour faire fonctionner ce qubit, vous devez éloigner un peu l’électron du noyau, à l’aide des électrodes situées en haut. En faisant cela, vous créez également un dipôle électrique”, a déclaré le Dr Tosi.

“C’est le point crucial. Ces dipôles électriques interagissent entre eux sur des distances assez grandes, une bonne fraction de micron, ou 1 000 nm”, a déclaré le professeur Morello.

“Cela signifie que nous pouvons maintenant placer les qubits à un seul atome beaucoup plus loin qu’on ne le pensait auparavant. Il y a donc beaucoup d’espace pour intercaler les composants classiques clés tels que les interconnexions, les électrodes de contrôle et les dispositifs de lecture, tout en conservant la nature atomique précise du bit quantique.”

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