Une nouvelle plateforme de qubits : Les électrons d’un filament lumineux chauffé (en haut) atterrissent sur du néon solide (bloc rouge), où un électron unique (représenté par une fonction d’onde en bleu) est piégé et manipulé par un circuit quantique supraconducteur (puce à motifs en bas). Crédit : avec l’aimable autorisation de Dafei Jin/Argonne National Laboratory.
Une nouvelle plate-forme de qubits pourrait transformer la science et la technologie de l’information quantique.
Vous lisez sans doute cet article sur un appareil numérique dont l’unité d’information de base est le bit, soit 0 ou 1. Les scientifiques du monde entier se lancent dans une course pour développer un nouveau type d’ordinateur basé sur l’utilisation de bits quantiques, ou qubits.
Dans un article publié le 4 mai 2022 dans le journal Natureune équipe dirigée par l’Argonne National Laboratory du ministère américain de l’énergie (DOE) a annoncé la création d’une nouvelle plate-forme de qubits formée par la congélation du gaz néon en un solide à très basse température, la pulvérisation d’électrons du filament d’une ampoule sur le solide et le piégeage d’un seul électron. Ce système a le potentiel d’être développé en blocs de construction parfaits pour les futurs ordinateurs quantiques.
“Il semblerait qu’un qubit idéal puisse être à l’horizon. Grâce à la simplicité relative de la plate-forme électron-sur-néon, il devrait se prêter à une fabrication facile à faible coût.” – Dafei Jin, scientifique d’Argonne au Centre pour les matériaux à l’échelle nanométrique.
Pour réaliser un ordinateur quantique utile, les exigences de qualité des qubits sont extrêmement élevées. Bien qu’il existe aujourd’hui différentes formes de qubits, aucune d’entre elles n’est optimale.
Qu’est-ce qui ferait un qubit idéal ? Selon Dafei Jin, un scientifique d’Argonne et le chercheur principal du projet, il doit posséder au moins trois grandes qualités.
Il peut rester dans un état 0 et 1 simultané (rappelez-vous le chat !) pendant une longue période. Les scientifiques appellent cette longue durée la “cohérence”. Idéalement, ce temps serait de l’ordre de la seconde, un pas de temps que nous pouvons percevoir sur une horloge domestique dans notre vie quotidienne.
Deuxièmement, le qubit peut passer d’un état à un autre en un temps court. Idéalement, ce temps serait d’environ un milliardième de seconde (nanoseconde), soit le pas de temps d’une horloge d’ordinateur classique.
Troisièmement, le qubit peut être facilement relié à de nombreux autres qubits afin qu’ils puissent travailler en parallèle les uns avec les autres. Les scientifiques appellent cette liaison l’intrication.
Bien qu’à l’heure actuelle, les qubits bien connus ne soient pas idéaux, des entreprises comme IBM, Intel, Google, Honeywell et de nombreuses startups ont choisi leurs préférés. Ils poursuivent agressivement l’amélioration technologique et la commercialisation.
“Notre objectif ambitieux n’est pas de rivaliser avec ces entreprises, mais de découvrir et de construire un système de qubits fondamentalement nouveau qui pourrait conduire à une plateforme idéale”, a déclaré Jin.
Bien qu’il existe de nombreux types de qubits, l’équipe a choisi le plus simple d’entre eux : un seul électron. En chauffant un simple filament de lumière que l’on peut trouver dans un jouet d’enfant, on peut facilement faire jaillir une quantité illimitée d’électrons.
L’un des défis pour tout qubit, y compris l’électron, est qu’il est très sensible aux perturbations de son environnement. L’équipe a donc choisi de piéger un électron sur une surface de néon solide ultrapure dans le vide.
Le néon fait partie d’une poignée d’éléments inertes qui ne réagissent pas avec les autres éléments. “En raison de cette inertie, le néon solide peut servir de solide le plus propre possible dans le vide pour accueillir et protéger les qubits de toute perturbation”, a déclaré Jin.
Un composant clé de la plateforme de qubits de l’équipe est un résonateur micro-ondes à l’échelle d’une puce fabriqué à partir d’un supraconducteur. (Le four à micro-ondes domestique, beaucoup plus grand, est également un résonateur à micro-ondes.) Les supraconducteurs – des métaux sans résistance électrique – permettent aux électrons et aux photons d’interagir ensemble à une température proche de absolute zero with minimal loss of energy or information.
“The microwave resonator crucially provides a way to read out the state of the qubit,” said Kater Murch, physics professor at the Washington University in St. Louis and a senior co-author of the paper. “It concentrates the interaction between the qubit and microwave signal. This allows us to make measurements telling how well the qubit works.”
“With this platform, we achieved, for the first time ever, strong coupling between a single electron in a near-vacuum environment and a single microwave photon in the resonator,” said Xianjing Zhou, a postdoctoral appointee at Argonne and the first author of the paper. “This opens up the possibility to use microwave photons to control each electron qubit and link many of them in a quantum processor,” Zhou added.
“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years.” — David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper
The team tested the platform in a scientific instrument called a dilution refrigerator, which can reach temperatures as low as a mere 10 millidegrees above absolute zero. This instrument is one of many quantum capabilities in Argonne’s Center for Nanoscale Materials, a DOE Office of Science user facility.
The team performed real-time operations to an electron qubit and characterized its quantum properties. These tests demonstrated that the solid neon provides a robust environment for the electron with very low electric noise to disturb it. Most importantly, the qubit attained coherence times in the quantum state competitive with state-of-the-art qubits.
“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years,” said David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper. “This is only our first series of experiments. Our qubit platform is nowhere near optimized. We will continue improving the coherence times. And because the operation speed of this qubit platform is extremely fast, only several nanoseconds, the promise to scale it up to many entangled qubits is significant.”
There is yet one more advantage to this remarkable qubit platform.“Thanks to the relative simplicity of the electron-on-neon platform, it should lend itself to easy manufacture at low cost,” Jin said. “It would appear an ideal qubit may be on the horizon.”
Reference: “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform” by Xianjing Zhou, Gerwin Koolstra, Xufeng Zhang, Ge Yang, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Kater W. Murch, David I. Schuster and Dafei Jin, 4 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04539-x
The team published their findings in a Nature article titled “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform.” In addition to Jin and Zhou, Argonne contributors include Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li and Ralu Divan. In addition to David Schuster, the University of Chicago contributors also include Brennan Dizdar. In addition to Kater Murch of Washington University in St. Louis, other researchers include Wei Guo of Florida State University, Gerwin Koolstra of Lawrence Berkeley National Laboratory and Ge Yang of Massachusetts Institute of Technology.
Funding for the Argonne research primarily came from the DOE Office of Basic Energy Sciences, Argonne’s Laboratory Directed Research and Development program and the Julian Schwinger Foundation for Physics Research.
