Percée majeure : l’informatique quantique sur silicium atteint une précision de 99 %.

De gauche à droite : Asaad, Morello, Madzik (image composite) : Serwan Asaad, Andrea Morello et Mateusz Mądzik sont les principaux auteurs de l’article de l’UNSW qui démontre que les opérations quantiques sont exemptes d’erreurs à 99 %. Crédit : Kearon de Clouet / UNSW

La recherche menée par l’UNSW de Sydney ouvre la voie à de grands processeurs quantiques sur silicium pour la fabrication et l’application dans le monde réel.

Des chercheurs australiens ont prouvé qu’il était possible d’obtenir des résultats presque sans erreur. l’informatique quantique est possible, ouvrant la voie à la construction de dispositifs quantiques à base de silicium compatibles avec la technologie actuelle de fabrication des semi-conducteurs.

“Publication d’aujourd’hui dans Nature montre que nos opérations étaient exemptes d’erreurs à 99 %”, déclare le professeur Andrea Morello de l’UNSW, qui a dirigé les travaux.

Le dispositif nanoélectronique en silicium utilisé pour contenir le processeur quantique a été construit à l’aide de méthodes compatibles avec les normes industrielles des puces informatiques existantes. (Les auteurs ont démontré des opérations logiques quantiques universelles en utilisant une paire de noyaux 31P implantés par ion dans un dispositif nanoélectronique en silicium. Le dispositif est fabriqué à l’aide de méthodes compatibles avec les processus standard de l’industrie utilisés pour toutes les puces informatiques existantes). Crédit : Tony Melov / UNSW

“Lorsque les erreurs sont si rares, il devient possible de les détecter et de les corriger lorsqu’elles se produisent. Cela montre qu’il est possible de construire des ordinateurs quantiques qui ont suffisamment d’échelle, et suffisamment de puissance, pour gérer des calculs significatifs.”

Cette recherche est un jalon important sur le chemin qui nous y mènera”, déclare le professeur Morello.

L’informatique quantique sur silicium atteint le seuil des 99%.

Le papier de Morello est l’un des trois articles publiés aujourd’hui dans Nature qui confirment indépendamment que l’informatique quantique robuste et fiable dans le silicium est désormais une réalité. Cette percée figure sur la couverture de la revue.

• Morello et al ont atteint des fidélités d’opération 1-qubit jusqu’à 99,95 pour cent, et une fidélité 2-qubit de 99,37 pour cent avec un système trois-qubits comprenant un électron et deux atomes de phosphore, introduit dans le silicium par implantation ionique.
• Une équipe de Delft aux Pays-Bas, dirigée par Lieven Vandersypen, a atteint 99,87 % de fidélité 1-qubit et 99,65 % de fidélité 2-qubit en utilisant des spins électroniques dans des points quantiques formés dans une pile de silicium et de silicium-germanium. alliage (Si/SiGe).
• Une équipe du RIKEN au Japon, dirigée par Seigo Tarucha, a également obtenu une fidélité de 99,84 % pour un qubit et de 99,51 % pour deux qubits dans un système à deux électrons utilisant des points quantiques Si/SiGe.

Une visualisation du système à trois qubits de l’UNSW, qui peut effectuer des opérations logiques quantiques avec une précision de plus de 99 %. (Des fidélités d’opérations quantiques supérieures à 99% ont été obtenues dans un processeur quantique à trois qubits en silicium. Les deux premiers qubits (Q1, Q2) sont les spins nucléaires d’atomes de phosphore implantés individuellement (sphères rouges). Le troisième qubit (Q3) est le spin d’un électron qui s’enroule autour des deux noyaux (ellipse brillante).) Crédit : Tony Melov / UNSW

Les équipes de l’UNSW et de Delft ont certifié les performances de leurs processeurs quantiques à l’aide d’une méthode sophistiquée appelée “gate set tomography”, développée aux Laboratoires nationaux Sandia aux États-Unis et mise à la disposition de la communauté des chercheurs.

Morello avait précédemment démontré qu’il pouvait préserver l’information quantique dans le silicium pendant 35 secondes, en raison de l’isolement extrême des spins nucléaires de leur environnement.

Les trois qubits peuvent être préparés dans un état quantique enchevêtré, ce qui débloque la puissance exponentielle des ordinateurs quantiques. (Les spins nucléaires sont de très bons qubits, en raison de leur isolement exceptionnel de l’environnement. Toutefois, cette même caractéristique rend difficile leur interaction et l’exécution d’opérations de logique quantique. La percée de l’équipe consiste à utiliser un électron commun pour servir de médiateur à l’interaction, ce qui permet d’effectuer des opérations logiques quantiques universelles de haute fidélité. De plus, l’électron lui-même est un qubit de haute qualité, et peut être placé dans un état d’intrication quantique totale avec les deux noyaux). Crédit : Tony Melov / UNSW

“Dans le monde quantique, 35 secondes représentent une éternité”, déclare le professeur Morello. “Pour donner une comparaison, dans les célèbres ordinateurs quantiques supraconducteurs de Google et d’IBM, la durée de vie est d’environ cent microsecondes, soit près d’un million de fois plus courte.”

Mais la contrepartie est queEn isolant les qubits, il leur était apparemment impossible d’interagir les uns avec les autres, ce qui est nécessaire pour effectuer des calculs réels.

Les spins nucléaires apprennent à interagir avec précision

L’article publié aujourd’hui décrit comment son équipe a surmonté ce problème en utilisant un électron englobant deux noyaux d’atomes de phosphore.

“Si vous avez deux noyaux qui sont connectés au même électron, vous pouvez leur faire faire une opération quantique”, explique Mateusz Madzik, l’un des principaux auteurs expérimentaux.

Le système à trois qubits ouvre la voie à la mise à l’échelle du processeur quantique à l’avenir, car l’électron peut facilement être enchevêtré avec d’autres électrons ou déplacé sur la puce. (L’état enchevêtré à trois qubits des noyaux et de l’électron ouvre la voie à la mise à l’échelle du processeur quantique dans le futur. L’électron peut être facilement enchevêtré avec d’autres électrons ou déplacé physiquement sur la puce. De cette manière, l’équipe de l’UNSW sera en mesure de fabriquer et d’exploiter de grands réseaux de qubits capables de réaliser des calculs robustes et utiles). Crédit : Tony Melov / UNSW

“Bien que vous ne fassiez pas fonctionner l’électron, ces noyaux stockent en toute sécurité leurs informations quantiques. Mais vous avez maintenant la possibilité de les faire parler entre eux via l’électron, afin de réaliser des opérations quantiques universelles qui peuvent être adaptées à n’importe quel problème de calcul.”

“Il s’agit vraiment d’une technologie de déblocage”, déclare le Dr Serwan Asaad, un autre auteur expérimental principal. “Les spins nucléaires sont le cœur du processeur quantique. Si vous les enchevêtrez avec l’électron, alors l’électron peut ensuite être déplacé vers un autre endroit et enchevêtré avec d’autres noyaux qubits plus loin, ouvrant la voie à la fabrication de grands réseaux de qubits capables de calculs robustes et utiles.”

Serwan Asaad, l’un des auteurs principaux. Crédit : UNSW

David Jamieson, responsable de la recherche à l’Université de Melbourne, ajoute : “Les atomes de phosphore ont été introduits dans la puce de silicium par implantation ionique, la même méthode que celle utilisée dans toutes les puces informatiques en silicium existantes. Cela garantit que notre percée quantique est compatible avec l’industrie des semi-conducteurs au sens large.”

Tous les ordinateurs existants déploient une certaine forme de correction des erreurs et de redondance des données, mais les lois de la physique quantique posent de sévères restrictions sur la façon dont la correction s’effectue dans l’ordinateur quantique. Le professeur Morello explique : “Vous avez généralement besoin de taux d’erreur inférieurs à 1 %, pour appliquer des protocoles de correction d’erreurs quantiques. Ayant maintenant atteint cet objectif, nous pouvons commencer à concevoir des processeurs quantiques en silicium qui passent à l’échelle et fonctionnent de manière fiable pour des calculs utiles.”

A propos des trois articles

Les qubits de spin semi-conducteurs en silicium sont bien placés pour devenir la plateforme de choix pour des ordinateurs quantiques fiables. Ils sont suffisamment stables pour contenir des informations quantiques pendant de longues périodes et peuvent être mis à l’échelle à l’aide de techniques connues de la technologie de fabrication de semi-conducteurs avancée existante.

Mateusz Mądzik, l’un des auteurs principaux. Crédit : UNSW

“Jusqu’à présent, cependant, le défi consistait à effectuer des opérations de logique quantique avec un niveau de précision suffisamment élevé. précision“, explique le professeur Morello.

“Chacun des trois articles publiés aujourd’hui montre comment ce défi peut être surmonté à tel point que les erreurs peuvent être corrigées plus rapidement qu’elles n’apparaissent.”

• L’équipe de l’UNSW dirigée par Andrea Morello a créé des opérations logiques quantiques universelles à deux qubits entre deux spins nucléaires formés par des donneurs de phosphore, introduits dans le silicium par la méthode standard de l’implantation ionique. Les opérations quantiques impliquaient un électron, dont l’onde de probabilité est répartie sur les deux noyaux. Les noyaux individuels ont fonctionné avec des fidélités allant jusqu’à 99,95 %, et les opérations à deux qubits avec une fidélité de 99,37 %, comme le certifie la tomographie des ensembles de portes (GST). Le spin de l’électron est lui-même un qubit, qui peut être enchevêtré avec les deux noyaux pour créer un état quantique enchevêtré de trois qubits, avec une fidélité de 92,5 %.
  Article : https://www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7; DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-021-04292-7
• L’équipe de Delft dirigée par Lieven Vandersypen a créé un système à deux qubits dans un matériau constitué d’un empilement de silicium et d’alliage silicium-germanium (Si/SiGe) soigneusement cultivé. L’information quantique est codée dans les spins des électrons confinés dans des points quantiques. Ils ont appliqué la tomographie du jeu de portes non seulement pour quantifier, mais aussi pour améliorer la précision des opérations quantiques et ont atteint une fidélité de 99,5 % sur la porte logique à deux qubits. “Pour pousser la fidélité de la porte à deux qubits bien au-delà de 99 %, il a fallu améliorer les matériaux et concevoir des dispositifs spéciaux.méthodes de contrôle et d’étalonnage des qubits “, Xiao Xue, auteur principal de la publication dans Naturea déclaré.
  Papier : https://doi.org/10.1038/s41586-021-04273-w
• Le groupe RIKEN à Tokyodirigé par Seigo Tarucha, l’un des fondateurs du domaine des points quantiques, a suivi une voie similaire, en créant des bits quantiques à deux électrons en Si/SiGe à l’aide de la même pile de matériaux produite par le groupe de Delft. Ils ont obtenu une fidélité à un seul qubit de 99,8 % et une fidélité à deux qubits de 99,5 % avec des opérations électriques très rapides. Ils ont mesuré la fidélité en utilisant un benchmarking aléatoire.
  Article : https://www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y; DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-021-04182-y

Collaborations et échanges

Bien que les trois articles rapportent des résultats indépendants, ils illustrent les avantages qui découlent de la recherche universitaire libre, et de la libre circulation des idées, des personnes et des matériaux. Par exemple, le matériau de silicium et de silicium-germanium utilisé par les groupes de Delft et de RIKEN a été cultivé à Delft et partagé entre les deux groupes. Le matériau de silicium isotopiquement purifié utilisé par le groupe de l’UNSW a été fourni par Kohei Itoh, de l’université Keio au Japon.

La méthode de tomographie de l’ensemble des portes (GST), qui était essentielle pour quantifier et améliorer la fidélité des portes quantiques dans les articles de l’UNSW et de Delft, a été développée aux Laboratoires nationaux Sandia aux États-Unis et rendue publique. L’équipe de Sandia a travaillé directement avec le groupe de l’UNSW pour développer des méthodes spécifiques à leur système de spin nucléaire, mais le groupe de Delft a pu l’adopter indépendamment pour ses recherches également.

Il y a également eu un important partage d’idées grâce au mouvement des personnes entre les équipes, par exemple :

• Mateusz Madzik, un auteur de l’article de l’UNSW, est maintenant un chercheur postdoctoral dans l’équipe de Delft.
• Serwan Asaad, un des auteurs de l’article de l’UNSW, était auparavant étudiant à Delft.
• Lieven Vandersypen, le chef de l’équipe de Delft, a passé un congé sabbatique de cinq mois à l’UNSW en 2016, accueilli par Andrea Morello.
• Le chef de l’équipe sur la croissance des matériaux, Giordano Scappucci, est un ancien chercheur de l’UNSW.

L’article dirigé par l’UNSW est le résultat d’une grande collaboration, impliquant des chercheurs de l’UNSW elle-même, de l’Université de Melbourne (pour l’implantation ionique), de l’Université de Technology Sydney (pour l’application initiale de la méthode GST), des Sandia National Laboratories (invention et raffinement de la méthode GST), et de l’Université de Keio (fourniture du matériau de silicium isotopiquement purifié).

Auteurs

Mateusz T. Madzik^1,2Serwan Asaad^1,2, Akram Youssry^3,4, Benjamin Joecker^1,2, Kenneth M. Rudinger⁵, Erik Nielsen⁵, Kevin C. Young⁵, Timothy J. Proctor⁵, Andrew D. Baczewski⁶, Arne Laucht^1,2, Vivien Schmitt^1,2, Fay E. Hudson¹, Kohei M. Itoh⁷, Alexander M. Jakob^8,2, Brett C. Johnson^8,2, David N. Jamieson^8,2, Andrew S. Dzurak¹, Christopher Ferrie³, Robin Blume-Kohout⁵et Andrea Morello^1,2

Organisations

1 École d’ingénierie électrique et de télécommunications, UNSW Sydney, Australie
2 Centre pour l’informatique quantique et la technologie de communication, Australie
3 Université de technologie de Sydney
4 Université Ain Shams, Le Caire, Egypte
5 Laboratoires nationaux de Sandia, Albuquerque et Livermore, USA
6 Center for Computing Research, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM 87185, États-Unis.
7 School of Fundamental Science and Technology, Keio University, Kohoku-ku, Yokohama, Japon.
8 École de physique, Université de Melbourne, Melbourne, VIC 3010, Australie.

Reconnaissance du financement

Le consortium UNSW-UTS a été créé dans le cadre du projet AUSMURI, une initiative multi-universitaire australo-américaine, financée en Australie par le Fonds pour les technologies de nouvelle génération du ministère de la Défense. Le projet AUSMURI vise à utiliser des systèmes multi-qubits pour réduire les erreurs globales des portes quantiques. Ce résultat est une percée clé dans la direction des processeurs quantiques haute-fidélité en silicium.

Un financement supplémentaire a été accordé par l’US Army Research Office, dont le projet de calcul quantique sur siliciumL’initiative soutient les laboratoires nationaux de l’UNSW, de Melbourne et de Sandia.

Le Centre d’excellence ARC pour l’informatique et la technologie de communication quantiques a soutenu les travaux de l’UNSW et de Melbourne. Le dispositif quantique a été fabriqué à l’aide des installations du nœud UNSW de l’Australian National Fabrication Facility (ANFF).

Les travaux menés à Delft ont été soutenus par le gouvernement néerlandais et par le bureau de recherche de l’armée américaine, dans le cadre du même programme de soutien aux travaux de l’UNSW.

Les travaux à RIKEN ont été financés par plusieurs subventions du gouvernement japonais.