
Figure 1 : Micrographie électronique à balayage en fausses couleurs de l’appareil. Les structures violettes et vertes représentent les portails en aluminium. Six physiciens de RIKEN ont réussi à enchevêtrer trois qubits de spin à base de silicium à l’aide de l’appareil. Crédit : © 2021 Centre RIKEN pour la science de la matière émergente
Un état intriqué à trois qubits a été réalisé dans un réseau entièrement contrôlable de qubits de spin dans le silicium.
Une équipe tout-RIKEN a augmenté le nombre de qubits de spin à base de silicium pouvant être intriqués de deux à trois, soulignant le potentiel des qubits de spin pour la réalisation d’algorithmes quantiques multi-qubit.
Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de laisser les ordinateurs conventionnels dans la poussière lors de l’exécution de certains types de calculs. Ils sont basés sur des bits quantiques, ou qubits, l’équivalent quantique des bits utilisés par les ordinateurs conventionnels.
Bien que moins matures que certaines autres technologies de qubit, de minuscules gouttes de silicium connues sous le nom de points quantiques de silicium ont plusieurs propriétés qui les rendent très attrayantes pour la réalisation de qubits. Ceux-ci incluent de longs temps de cohérence, un contrôle électrique haute fidélité, un fonctionnement à haute température et un grand potentiel d’évolutivité. Cependant, pour connecter utilement plusieurs qubits de spin à base de silicium, il est crucial de pouvoir intricer plus de deux qubits, un exploit qui avait échappé aux physiciens jusqu’à présent.

Seigo Tarucha (deuxième à partir de la droite) et ses collègues ont réalisé un état intriqué à trois qubits dans un réseau entièrement contrôlable de qubits de spin dans le silicium. Crédit : © 2021 RIKEN
Seigo Tarucha et cinq collègues, tous du RIKEN Center for Emergent Matter Science, ont maintenant initialisé et mesuré un réseau de trois qubits en silicium avec une haute fidélité (la probabilité qu’un qubit soit dans l’état attendu). Ils ont également combiné les trois qubits intriqués dans un seul appareil.
Cette démonstration est une première étape vers l’extension des capacités des systèmes quantiques basés sur les qubits de spin. « Le fonctionnement à deux qubits est suffisant pour effectuer des calculs logiques fondamentaux », explique Tarucha. “Mais un système à trois qubits est l’unité minimale pour la mise à l’échelle et la mise en œuvre de la correction d’erreurs.”
Le dispositif de l’équipe consistait en un triple point quantique sur une hétérostructure silicium/silicium-germanium et est contrôlé par des portes en aluminium. Chaque point quantique peut héberger un électron, dont les états de spin-up et spin-down codent un qubit. Un aimant sur puce génère un gradient de champ magnétique qui sépare les fréquences de résonance des trois qubits, afin qu’ils puissent être adressés individuellement.
Les chercheurs ont d’abord intriqué deux des qubits en mettant en œuvre une porte à deux qubits, un petit circuit quantique qui constitue la pierre angulaire des dispositifs d’informatique quantique. Ils ont ensuite réalisé un enchevêtrement à trois qubits en combinant le troisième qubit et la porte. L’état à trois qubits résultant avait une fidélité d’état remarquablement élevée de 88 % et était dans un état intriqué qui pouvait être utilisé pour la correction d’erreurs.
Cette démonstration n’est que le début d’un ambitieux programme de recherche menant à un ordinateur quantique à grande échelle. “Nous prévoyons de démontrer une correction d’erreur primitive à l’aide du périphérique à trois qubits et de fabriquer des périphériques avec dix qubits ou plus”, explique Tarucha. “Nous prévoyons ensuite de développer 50 à 100 qubits et de mettre en œuvre des protocoles de correction d’erreurs plus sophistiqués, ouvrant la voie à un ordinateur quantique à grande échelle d’ici une décennie.”
Référence : « Quantum tomography of an entangled three-qubit state in silicon » par Kenta Takeda, Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Takashi Kobayashi et Seigo Tarucha, 7 juin 2021, Nature Nanotechnologie.
DOI : 10.1038 / s41565-021-00925-0