Une puce innovante résout les maux de tête quantiques – ouvre la voie au supercalculateur du futur

Comparaison du qubit de spin et du qubit supraconducteur

Comparaison de la taille des qubits L’illustration montre la différence de taille entre les qubits de spin et les qubits supraconducteurs. Crédit : Université de Copenhague

Les physiciens quantiques de l’Université de Copenhague font état d’une réalisation internationale pour le Danemark dans le domaine de la technologie quantique. En faisant fonctionner simultanément plusieurs qubits de spin sur la même puce quantique, ils ont surmonté un obstacle clé sur la route du supercalculateur du futur. Le résultat est de bon augure pour l’utilisation de matériaux semi-conducteurs comme plate-forme pour les ordinateurs quantiques à semi-conducteurs.

L’un des problèmes d’ingénierie dans le marathon mondial vers un grand ordinateur quantique fonctionnel est le contrôle de nombreux dispositifs de mémoire de base – qubits – simultanément. En effet, le contrôle d’un qubit est généralement affecté négativement par des impulsions de contrôle simultanées appliquées à un autre qubit. Aujourd’hui, deux jeunes physiciens quantiques de l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague – doctorants, maintenant postdoctoraux, Federico Fedele, 29 ans et Asst. Prof. Anasua Chatterjee, 32,– travaillant dans le groupe d’Assoc. Le Pr Ferdinand Kuemmeth, ont réussi à surmonter cet obstacle.

À propos des qubits

Le cerveau de l’ordinateur quantique que les scientifiques tentent de construire sera composé de nombreux tableaux de qubits, similaires aux bits des puces des smartphones. Ils constitueront la mémoire de la machine.

La célèbre différence est que, alors qu’un bit ordinaire peut stocker des données dans l’état 1 ou 0, un qubit peut résider dans les deux états simultanément – connu sous le nom de superposition quantique – ce qui rend l’informatique quantique exponentiellement plus puissant.

La recherche globale sur les qubits est basée sur diverses technologies. Alors que Google et IBM ont parcouru un long chemin avec les processeurs quantiques basés sur la technologie des supraconducteurs, le groupe de recherche UCPH parie sur les qubits semi-conducteurs – connus sous le nom de qubits de spin.

« De manière générale, ils sont constitués de spins électroniques piégés dans des nanostructures semi-conductrices appelées points quantiques, de sorte que les états de spin individuels peuvent être contrôlés et intriqués les uns avec les autres », explique Federico Fedele.

Les qubits de spin ont l’avantage de maintenir leurs états quantiques pendant longtemps. Cela leur permet potentiellement d’effectuer des calculs plus rapides et plus parfaits que les autres types de plates-formes. Et, ils sont si minuscules que beaucoup plus d’entre eux peuvent être pressés sur une puce qu’avec d’autres approches qubit. Plus il y a de qubits, plus la puissance de traitement d’un ordinateur est grande. L’équipe de l’UCPH a étendu l’état de l’art en fabriquant et en exploitant quatre qubits dans une matrice 2×2 sur une seule puce.

Les circuits sont « le nom du jeu »

Jusqu’à présent, la technologie quantique s’est surtout concentrée sur la production de qubits de mieux en mieux. Il s’agit maintenant de les faire communiquer entre eux, explique Anasua Chatterjee :

« Maintenant que nous avons de très bons qubits, le nom du jeu est de les connecter dans des circuits qui peuvent exploiter de nombreux qubits, tout en étant suffisamment complexes pour pouvoir corriger les erreurs de calcul quantique. Jusqu’à présent, la recherche sur les qubits de spin est arrivée au point où les circuits contiennent des tableaux de qubits 2×2 ou 3×3. Le problème est que leurs qubits ne sont traités qu’un à la fois.

Federico Fedele, Anasua Chatterjee et Ferdinand Kuemmeth

Federico Fedele, Anasua Chatterjee et Ferdinand Kuemmeth. Crédit : Université de Copenhague

C’est ici que le circuit quantique des jeunes physiciens quantiques, fabriqué à partir de la substance semi-conductrice arséniure de gallium et pas plus gros que la taille d’une bactérie, fait toute la différence :

« La chose nouvelle et vraiment importante à propos de notre puce est que nous pouvons simultanément exploiter et mesurer tous les qubits. Cela n’a jamais été démontré auparavant avec les qubits de spin – ni avec de nombreux autres types de qubits », explique Chatterjee, qui est l’un des deux auteurs principaux de l’étude, qui a récemment été publiée dans la revue. Examen physique X Quantum.

A propos de la puce

Les quatre qubits de spin de la puce sont constitués d’arséniure de gallium, un matériau semi-conducteur. Entre les quatre qubits se trouve un point quantique plus grand qui relie les quatre qubits les uns aux autres, et que les chercheurs peuvent utiliser pour régler tous les qubits simultanément.

Pouvoir opérer et mesurer simultanément est essentiel pour effectuer des calculs quantiques. En effet, si vous devez mesurer des qubits à la fin d’un calcul – c’est-à-dire arrêter le système pour obtenir un résultat – les états quantiques fragiles s’effondrent. Ainsi, il est crucial que la mesure soit synchrone, de sorte que les états quantiques de tous les qubits soient arrêtés simultanément. Si les qubits sont mesurés un par un, le moindre bruit ambiant peut altérer l’information quantique d’un système.

Jalon

La réalisation du nouveau circuit est une étape importante sur la longue route vers un ordinateur quantique semi-conducteur.

« Pour obtenir des processeurs quantiques plus puissants, nous devons non seulement augmenter le nombre de qubits, mais aussi le nombre d’opérations simultanées, ce qui est exactement ce que nous avons fait », déclare le professeur Kuemmeth, qui a dirigé la recherche.

À l’heure actuelle, l’un des principaux défis est que les 48 électrodes de contrôle de la puce doivent être réglées manuellement et maintenues réglées en permanence malgré la dérive environnementale, ce qui est une tâche fastidieuse pour un humain. C’est pourquoi son équipe de recherche étudie maintenant comment les algorithmes d’optimisation et l’apprentissage automatique pourraient être utilisés pour automatiser le réglage. Pour permettre la fabrication de réseaux de qubits encore plus grands, les chercheurs ont commencé à travailler avec des partenaires industriels pour fabriquer la prochaine génération de puces quantiques. Dans l’ensemble, les efforts synergiques de l’informatique, de l’ingénierie microélectronique et de la physique quantique pourraient alors conduire les qubits de spin vers les prochaines étapes.

Référence : “Simultaneous Operations in a Two-Dimensional Array of Singlet-Triplet Qubits” par Federico Fedele, Anasua Chatterjee, Saeed Fallahi, Geoffrey C. Gardner, Michael J. Manfra et Ferdinand Kuemmeth, 8 octobre 2021, PRX Quantique.
DOI : 10.1103 / PRXQuantum.2.040306

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