Les recherches menées par des physiciens de l’Université de Princeton ouvrent la voie à l’utilisation de technologies à base de silicium dans l’informatique quantique, en particulier sous forme de bits quantiques, les unités de base des ordinateurs quantiques. Cette recherche promet d’accélérer l’utilisation de la technologie du silicium comme alternative viable aux autres technologies d’informatique quantique, telles que les supraconducteurs ou les ions piégés.
Dans une recherche publiée dans la revue Avancées scientifiques, les physiciens de Princeton ont utilisé un dispositif quantique au silicium à deux qubits pour atteindre un niveau de fidélité sans précédent. À plus de 99 %, il s’agit de la fidélité la plus élevée obtenue à ce jour pour une porte à deux qubits dans un semi-conducteur et elle est comparable aux meilleurs résultats obtenus par les technologies concurrentes. La fidélité, qui est une mesure de la capacité d’un qubit à effectuer des opérations sans erreur, est un élément clé dans la quête pour développer une informatique quantique pratique et efficace.
Des chercheurs du monde entier tentent de déterminer quelles technologies, telles que les qubits supraconducteurs, les ions piégés ou les qubits de spin au silicium, par exemple, peuvent être utilisées au mieux comme unités de base de l’informatique quantique. Et, tout aussi important, les chercheurs explorent les technologies qui auront la capacité d’évoluer le plus efficacement pour un usage commercial.
« Les qubits de spin au silicium gagnent du terrain [in the field] », a déclaré Adam Mills, étudiant diplômé du département de physique de l’Université de Princeton et auteur principal de l’étude récemment publiée. « Cela ressemble à une grande année pour le silicium dans son ensemble. »
En utilisant un dispositif au silicium appelé double point quantique, les chercheurs de Princeton ont pu capturer deux électrons et les forcer à interagir. L’état de spin de chaque électron peut être utilisé comme un qubit et l’interaction entre les électrons peut enchevêtrer ces qubits. Cette opération est cruciale pour le calcul quantique, et l’équipe de recherche, dirigée par Jason Petta, professeur de physique Eugene Higgins à Princeton, a pu effectuer cette opération d’intrication à un niveau de fidélité supérieur à 99,8 %.
Un qubit, en termes simples, est une version quantique d’un bit d’ordinateur, qui est la plus petite unité de données dans un ordinateur. Comme son homologue classique, le qubit est codé avec des informations qui peuvent avoir la valeur de un ou de zéro. Mais contrairement au bit, le qubit est capable d’exploiter les concepts de la mécanique quantique pour pouvoir effectuer des tâches que les bits classiques ne peuvent pas.
« Dans un qubit, vous pouvez encoder des zéros et des uns, mais vous pouvez également avoir des superpositions de ces zéros et de ces uns », a déclaré Mills. Cela signifie que chaque qubit peut être simultanément un zéro et un. Ce concept, appelé superposition, est une qualité fondamentale de la mécanique quantique et qui permet aux qubits d’effectuer des opérations qui semblent étonnantes et d’un autre monde. Concrètement, cela donne à l’ordinateur quantique un plus grand avantage sur les ordinateurs conventionnels, par exemple en factorisant de très grands nombres ou en isolant la solution la plus optimale à un problème.
Le « spin » dans les qubits de spin est le moment cinétique de l’électron. C’est une propriété quantique qui se manifeste par un minuscule dipôle magnétique qui peut être utilisé pour coder des informations. Un analogue classique est une aiguille de boussole, qui a des pôles nord et sud, et tourne pour s’aligner avec le champ magnétique terrestre. En mécanique quantique, le spin de l’électron peut s’aligner avec le champ magnétique généré en laboratoire (spin-up), ou être orienté anti-parallèlement au champ (spin-down), ou être dans une superposition quantique de spin-up et spin-down. Le spin est la propriété de l’électron exploité dans les dispositifs quantiques à base de silicium ; les ordinateurs conventionnels, en revanche, fonctionnent en manipulant la charge négative d’un électron.
Mills a affirmé qu’en général, les qubits de spin en silicium présentent des avantages par rapport aux autres types de qubits. « L’idée est que chaque système devra évoluer jusqu’à de nombreux qubits », a-t-il déclaré. « Et à l’heure actuelle, les autres systèmes qubit ont de réelles limites physiques à l’évolutivité. La taille pourrait être un réel problème avec ces systèmes. Il n’y a qu’un espace limité dans lequel vous pouvez entasser ces choses. »
En comparaison, les qubits de spin de silicium sont fabriqués à partir d’électrons uniques et sont extrêmement petits.
« Nos appareils mesurent à peine 100 nanomètres de diamètre, alors qu’un qubit supraconducteur conventionnel ressemble plus à 300 microns de diamètre, donc si vous voulez en fabriquer plusieurs sur une puce, il sera difficile d’utiliser une approche supraconductrice », a déclaré Petta.
L’autre avantage des qubits de spin en silicium, a ajouté Petta, est que l’électronique conventionnelle est aujourd’hui basée sur la technologie du silicium. « Notre sentiment est que si vous voulez vraiment créer un million ou dix millions de qubits qui seront nécessaires pour faire quelque chose de pratique, cela ne se produira que dans un système à semi-conducteurs qui peut être mis à l’échelle en utilisant l’industrie de fabrication de semi-conducteurs standard. «
Pourtant, exploiter des qubits de spin – comme d’autres types de qubits – avec une haute fidélité a été un défi pour les chercheurs.
« L’un des goulots d’étranglement de la technologie des qubits de spin est que la fidélité de la porte à deux qubits jusqu’à très récemment n’était pas si élevée », a déclaré Petta. « Il a été bien en dessous de 90% dans la plupart des expériences. »
Mais c’était un défi que Petta et Mills et l’équipe de recherche pensaient pouvoir relever.
Pour réaliser l’expérience, les chercheurs ont d’abord dû capturer un seul électron, ce qui n’est pas une mince affaire.
« Nous piégeons un seul électron, une très petite particule, et nous devons le faire entrer dans une région spécifique de l’espace, puis le faire danser », a déclaré Petta.
Pour ce faire, Mills, Petta et leurs collègues devaient construire une « cage ». Cela a pris la forme d’un semi-conducteur ultra-mince composé principalement de silicium. En plus de cela, l’équipe a modelé de petites électrodes, ce qui crée le potentiel électrostatique utilisé pour encercler l’électron. Deux de ces cages réunies, séparées par une barrière, ou porte, constituaient la double boîte quantique.
« Nous avons deux rotations situées sur des sites adjacents l’un à côté de l’autre », a déclaré Petta. « En ajustant la tension sur ces portes, nous pouvons momentanément rapprocher les électrons et les faire interagir. C’est ce qu’on appelle une porte à deux qubits. »
L’interaction fait évoluer chaque qubit de spin en fonction de l’état de ses qubits de spin voisins, ce qui conduit à un enchevêtrement dans les systèmes quantiques. Les chercheurs ont pu effectuer cette interaction à deux qubits avec une fidélité supérieure à 99 %. À ce jour, il s’agit de la plus haute fidélité pour une porte à deux qubits qui ait jusqu’à présent été obtenue dans des qubits de spin.
Petta a déclaré que les résultats de cette expérience placent cette technologie – les qubits de spin de silicium – sur un pied d’égalité avec les meilleurs résultats obtenus par les autres grandes technologies concurrentes. « Cette technologie est sur une pente fortement croissante », a-t-il déclaré, « et je pense que ce n’est qu’une question de temps avant qu’elle ne dépasse les systèmes supraconducteurs. »
« Un autre aspect important de cet article », a ajouté Petta, « est qu’il ne s’agit pas seulement d’une démonstration d’une porte à deux qubits haute fidélité, mais que cet appareil fait tout. Il s’agit de la première démonstration d’un système de spin qubit à semi-conducteur où nous avons performances intégrées de l’ensemble du système – la préparation de l’état, la lecture, le contrôle à un seul qubit, le contrôle à deux qubits – le tout avec des métriques de performances qui dépassent le seuil dont vous avez besoin pour faire fonctionner un système à plus grande échelle. »
En plus de Mills et Petta, le travail comprenait également les efforts des étudiants diplômés de Princeton Charles Guinn et Mayer Feldman, ainsi que du professeur adjoint de génie électrique de l’Université de Pennsylvanie Anthony Sigillito. Michael Gullans, du Département de physique de l’Université de Princeton et du Center for Quantum Information and Computer Science du NIST/Université du Maryland, et Erik Nielsen des Sandia National Laboratories, Albuquerque, Nouveau-Mexique, ont également contribué à l’article et à la recherche.
Adam R. Mills et al, Processeur quantique en silicium à deux qubits avec une fidélité de fonctionnement supérieure à 99%, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abn5130