Les portes quantiques de haute précision avec des qubits de spin diamant atteignent un taux d’erreur inférieur à 0,1%

Les chercheurs de QUTECH, en collaboration avec Fujitsu et Element Six, ont démontré un ensemble complet de portes quantiques avec des probabilités d’erreur inférieures à 0,1%. Bien que de nombreux défis demeurent, être en mesure d’effectuer des opérations de porte de base avec des erreurs se produisant en dessous de ce seuil, satisfait une condition importante pour le futur calcul quantique à grande échelle. La recherche était publié dans Revue physique appliquée le 21 mars 2025.

Les ordinateurs quantiques devraient être en mesure de résoudre des problèmes importants qui dépassent les capacités des ordinateurs classiques. Les calculs quantiques sont effectués par une grande séquence d’opérations de base, appelées portes quantiques.

Pour qu’un ordinateur quantique fonctionne, il est essentiel que toutes les portes quantiques soient très précises. La probabilité d’une erreur pendant les portes doit être inférieure à un seuil, généralement de l’ordre de 0,1 à 1%. Ce n’est qu’alors que les erreurs sont suffisamment rares pour que les méthodes de correction d’erreurs fonctionnent avec succès et assurent un calcul fiable avec des composants bruyants.

Les spins en diamant sont un type de qubit qui est prometteur pour le calcul quantique. Ces qubits sont constitués d’électrons et de spins nucléaires associés aux défauts atomiques, par exemple, un atome d’azote remplaçant un atome de carbone dans un diamant. Ils fonctionnent à des températures relativement élevées, jusqu’à 10 Kelvin, et sont bien protégés du bruit. De plus, leur connexion naturelle avec les photons – les particules élémentaires de la lumière – consiste à calculer le calcul sur les réseaux quantiques. Cependant, réaliser un ensemble complet de portes quantiques avec des taux d’erreur suffisamment bas est demeure un défi jusqu’à présent.

Les chercheurs de Qutech, l’Institut de recherche sur la technologie quantique interfaculty de l’Université de technologie de Delft, ont maintenant démontré un ensemble universel très précis de portes quantiques à l’aide d’une puce quantique en diamant. Les chercheurs ont utilisé un système de deux qubits, l’un formé par le spin électronique du centre de défaut, l’autre par sa rotation nucléaire. Chaque type de porte de ce système à deux qubit fonctionne à une erreur inférieure à 0,1%, et les meilleures portes atteignent même des erreurs aussi faibles que 0,001%.

« Pour réaliser des portes aussi précises, nous avons dû supprimer systématiquement des sources d’erreurs. La première étape a été d’utiliser des diamants ultrapures qui ont une concentration plus faible d’isotopes en carbone-13 comme ceux-ci provoquent un bruit », explique Hans Bartling, auteur principal. La deuxième étape clé consistait à concevoir des portes qui découplent soigneusement les qubits de spin les uns des autres et des interactions avec le bruit restant dans l’environnement.

Un dernier défi était de trouver des outils pour caractériser de manière fiable les portes et optimiser leurs paramètres. Pour cela, l’équipe s’est tournée vers une méthode appelée « Gate Set Tomography », qui fournit la description quantique complète des portes. « Il était essentiel que notre caractérisation ait fourni des informations complètes et précises sur les erreurs de porte, car cela nous a permis de trouver systématiquement des imperfections et d’optimiser tous les paramètres de la porte », explique le co-auteur Jiwon Yun.

En fin de compte, les chercheurs ont mis les portes quantiques et leur caractérisation à l’épreuve en effectuant un algorithme artificiel avec une grande séquence de portes. Après 800 opérations de porte, le résultat pourrait être prédit avec précision à partir de la connaissance de l’équipe des portes individuelles, indiquant que les opérations de la porte étaient désormais précises et bien comprises.

La route à venir

Bien que les portes universelles de haute précision soient une condition préalable clé vers le calcul quantique, il reste encore un long chemin à parcourir à un calcul à grande échelle. « Notre démonstration était sur un système à deux qubit et utilisant un type particulier de défaut », explique Tim Taminiau qui a supervisé la recherche. « Un défi clé est de maintenir et d’améliorer davantage la qualité des portes lors du passage à l’optique et à l’électronique intégrées à l’échelle des puces et à la mise à l’échelle de beaucoup plus de qubits. »

Réaliser de tels processeurs plus importants est l’objectif de l’effort de recherche à Qutech et de sa collaboration avec Fujitsu. L’équipe adopte une approche complète, dans laquelle non seulement les bits quantiques améliorés sont étudiés, mais aussi l’électronique de contrôle requise, les méthodes de fabrication évolutives et les nouveaux types d’architectures informatiques quantiques. « Faire la prochaine grande étape nécessitera de réunir des scientifiques, des ingénieurs et de l’industrie », explique Taminiau.