Illustration de la plateforme de qubits constituée d’un seul électron sur du néon solide. Les chercheurs ont congelé le gaz néon en un solide à très basse température, ont pulvérisé des électrons d’une ampoule sur le solide et y ont piégé un électron unique pour créer un qubit. Crédit : avec l’aimable autorisation de Dafei Jin/Argonne National Laboratory.
Le dispositif numérique que vous utilisez pour consulter cet article utilise sans doute le bit, qui peut être soit 0 soit 1, comme unité d’information de base. Cependant, les scientifiques du monde entier se lancent dans une course pour mettre au point une méthode de calcul de la valeur du bit. nouveau type d’ordinateur basé sur l’utilisation de bits quantiques, ou qubits, qui peuvent être simultanément 0 et 1 et qui pourraient un jour résoudre des problèmes complexes dépassant tous les superordinateurs classiques.
Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques du Département américain de l’énergie (DOE). Argonne National Laboratoryen étroite collaboration avec Wei Guo, professeur associé d’ingénierie mécanique au Collège d’ingénierie de la FAMU-FSU, a annoncé la création d’une nouvelle plateforme de qubits qui promet d’être développée dans les futurs ordinateurs quantiques. Leurs travaux sont publiés dans la revue Nature.
“Les ordinateurs quantiques pourraient être un outil révolutionnaire pour effectuer des calculs qui sont pratiquement impossibles pour les ordinateurs classiques, mais il y a encore du travail à faire pour qu’ils deviennent une réalité”, a déclaré Guo, un des coauteurs du document. “Avec cette recherche, nous pensons avoir fait une percée qui va dans le sens de la fabrication de qubits qui aideront à réaliser le potentiel de cette technologie.”
L’équipe a créé son qubit en congelant du gaz néon en un solide à très basse température, en pulvérisant des électrons d’une ampoule électrique sur le solide et en y piégeant un seul électron.
Wei Guo, professeur associé d’ingénierie mécanique au Collège d’ingénierie FAMU-FSU. Crédit : Florida State University
Bien qu’il existe de nombreux types de qubits, l’équipe a choisi le plus simple : un seul électron. Le fait de chauffer un simple filament de lumière, tel qu’on peut en trouver dans un jouet d’enfant, peut facilement faire jaillir une quantité illimitée d’électrons.
Une qualité importante des qubits est leur capacité à rester dans un état 0 ou 1 simultané pendant une longue période, appelée “temps de cohérence”. Ce temps est limité, et cette limite est déterminée par la façon dont les qubits interagissent avec leur environnement. Des défauts dans le système de qubits peuvent réduire considérablement le temps de cohérence.
Pour cette raison, l’équipe a choisi de piéger un électron sur une surface de néon solide ultrapure dans le vide. Le néon est l’un des six éléments inertes, ce qui signifie qu’il ne réagit pas avec les autres éléments.
“Grâce à cette inertie, le néon solide peut servir de solide le plus propre possible dans le vide pour accueillir et protéger les qubits contre toute perturbation”, a déclaré Dafei Jin, un scientifique d’Argonne et le chercheur principal du projet.
En utilisant un résonateur supraconducteur à l’échelle d’une puce – comme un four à micro-ondes miniature – l’équipe a pu manipuler les électrons piégés, leur permettant de lire et de stocker les informations du qubit, le rendant ainsi utilisable dans les futurs ordinateurs quantiques.
Les recherches précédentes utilisaient de l’hélium liquide comme support pour retenir les électrons. Ce matériau était facile à rendre exempt de défauts, mais les vibrations de la surface sans liquide pouvaient facilement perturber l’état des électrons et donc compromettre les performances du qubit.
Le néon solide offre un matériau avec peu de défauts qui ne vibre pas comme l’hélium liquide. Après avoir construit leur plateforme, l’équipe a effectué des opérations de qubit en temps réel en utilisant des photons micro-ondes sur un électron piégé et a caractérisé ses propriétés quantiques. Ces tests ont démontré que le néon solide offrait un environnement robuste à l’électron, avec un bruit électrique très faible pour le perturber. Plus important encore, le qubit a atteint des temps de cohérence dans l’état quantique compétitifs par rapport aux autres qubits de pointe.
La simplicité de la plate-forme de qubit devrait également se prêter à une fabrication simple et peu coûteuse, a déclaré Jin.
Les promesses de quantum computing lies in the ability of this next-generation technology to calculate certain problems much faster than classical computers. Researchers aim to combine long coherence times with the ability of multiple qubits to link together — known as entanglement. Quantum computers thereby could find the answers to problems that would take a classical computer many years to resolve.
Consider a problem where researchers want to find the lowest energy configuration of a protein made of many amino acids. These amino acids can fold in trillions of ways that no classical computer has the memory to handle. With quantum computing, one can use entangled qubits to create a superposition of all folding configurations — providing the ability to check all possible answers at the same time and solve the problem more efficiently.
“Researchers would just need to do one calculation, instead of trying trillions of possible configurations,” Guo said.
For more on this research, see New Qubit Breakthrough Could Revolutionize Quantum Computing.
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 its findings in a Nature article titled “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform.” In addition to Jin, Argonne contributors include first author Xianjing Zhou, Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li, and Ralu Divan. Contributors from the University of Chicago were David Schuster and Brennan Dizdar. Other co-authors were Kater Murch of Washington University in St. Louis, 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. Guo is supported by the National Science Foundation and the National High Magnetic Field Laboratory.
