Première démonstration du contrôle universel des qubits de spin codés

HRL Laboratories, LLC, a publié la première démonstration du contrôle universel des qubits de spin codés. Cette nouvelle approche émergente du calcul quantique utilise une nouvelle architecture de dispositif qubit à base de silicium, fabriquée dans la salle blanche de HRL à Malibu, pour piéger des électrons uniques dans des points quantiques. Les spins de trois de ces électrons uniques hébergent des états de qubit dégénérés en énergie, qui sont contrôlés par des interactions de contact avec le plus proche voisin qui échangent partiellement les états de spin avec ceux de leurs voisins.

Mise en ligne avant publication dans la revue Nature, l’expérience HRL a démontré un contrôle universel de leurs qubits codés, ce qui signifie que les qubits peuvent être utilisés avec succès pour tout type d’implémentation d’algorithme de calcul quantique. Les qubits de points quantiques silicium/silicium-germanium codés utilisent trois spins d’électrons et un schéma de contrôle dans lequel les tensions appliquées aux grilles métalliques échangent partiellement les directions de ces spins d’électrons sans jamais les aligner dans une direction particulière. La démonstration consistait à appliquer des milliers de ces impulsions de tension précisément calibrées en relation étroite les unes avec les autres pendant quelques millionièmes de seconde. L’article s’intitule « Logique universelle avec des qubits de spin codés dans le silicium ».

La cohérence quantique offerte par le silicium isotopiquement enrichi utilisé, le contrôle entièrement électrique et à faible diaphonie des opérations d’échange partiel, et l’insensibilité configurable du codage à certaines sources d’erreur se combinent pour offrir une voie solide vers une tolérance aux pannes évolutive et un avantage informatique , étapes majeures vers un ordinateur quantique commercial.

« Au-delà des défis évidents de conception et de fabrication, de nombreux logiciels robustes ont dû être écrits, par exemple pour régler et calibrer notre schéma de contrôle », a déclaré Aaron Weinstein, scientifique et premier auteur de HRL. « Des efforts considérables ont été déployés pour développer des routines efficaces et automatisées pour déterminer quelle tension appliquée conduisait à quel degré d’échange partiel. Étant donné que des milliers d’opérations de ce type devaient être mises en œuvre pour déterminer les niveaux d’erreur, chacune devait être précise. Nous avons travaillé dur pour obtenir tout ce contrôle travaillant avec une grande précision. »

« C’était vraiment un effort d’équipe », a déclaré le chef du groupe HRL et co-auteur Mitch Jones. « Le travail habilitant des équipes talentueuses de logiciels de contrôle, de théorie, de croissance et de fabrication d’appareils était crucial. De plus, de nombreuses mesures d’appareils étaient nécessaires pour comprendre suffisamment la physique interne et développer des routines pour contrôler de manière fiable ces interactions mécaniques quantiques. Ce travail et cette démonstration est le point culminant de ces mesures, rendu encore meilleur par le temps passé à travailler aux côtés de certains des scientifiques les plus brillants que j’ai rencontrés. »

« Il est difficile de définir quelle est la meilleure technologie qubit, mais je pense que le qubit d’échange de silicium uniquement est au moins le mieux équilibré », a déclaré Thaddeus Ladd, chef du groupe HRL et co-auteur. « De vrais défis subsistent dans l’amélioration de l’erreur, de l’échelle, de la vitesse, de l’uniformité, de la diaphonie et d’autres aspects, mais aucun de ceux-ci ne nécessite de miracle. Pour de nombreux autres types de qubits, il y a au moins un aspect qui semble toujours vraiment, vraiment difficile. »

Une fois réalisés à grande échelle, les ordinateurs quantiques différeraient des superordinateurs traditionnels en ce qu’ils utilisent une caractéristique fragile de la mécanique quantique appelée intrication quantique pour effectuer certains calculs en très peu de temps qui prendraient des années ou des décennies aux ordinateurs traditionnels. Parmi de nombreuses applications possibles, un exemple de calcul consiste à simuler le comportement de grosses molécules.

Seule une petite quantité de données est nécessaire pour décrire les atomes d’une molécule, mais un très grand espace de travail est nécessaire pour calculer tous les états mécaniques quantiques que les électrons de la molécule pourraient avoir. Les simulations de chimie quantique pourraient avoir un impact considérable sur de nombreuses orientations technologiques, du développement de matériaux à la découverte de médicaments en passant par le développement de processus d’atténuation du changement climatique.