Ces dernières années, de nombreux physiciens et informaticiens ont travaillé sur le développement des technologies d’informatique quantique. Ces technologies sont basées sur les qubits, les unités de base de l’information quantique.
Contrairement aux bits classiques, qui ont une valeur de 0 ou 1, les qubits peuvent exister dans des états de superposition, ils peuvent donc avoir une valeur de 0 et 1 simultanément. Les qubits peuvent être constitués de différents systèmes physiques, notamment des électrons, des spins nucléaires (c’est-à-dire l’état de spin d’un noyau), des photons et des circuits supraconducteurs.
Les spins électroniques confinés dans des points quantiques de silicium (c’est-à-dire de minuscules structures à base de silicium) se sont révélés particulièrement prometteurs en tant que qubits, notamment en raison de leurs longs temps de cohérence, de leurs hautes fidélités de grille et de leur compatibilité avec les méthodes de fabrication de semi-conducteurs existantes. Cependant, le contrôle cohérent de plusieurs états de spin d’électrons peut être difficile.
Des chercheurs de l’Université de Rochester ont récemment introduit une nouvelle stratégie pour manipuler de manière cohérente des spins d’électrons uniques ou multiples dans des points quantiques de silicium. Cette méthode, présentée dans un article publié dans Physique naturellepourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour le développement d’ordinateurs quantiques fiables et hautement performants.
« Comme pour de nombreuses expériences scientifiques, nous enquêtions initialement sur un sujet sans rapport, lorsque nous avons commencé à remarquer toutes sortes d’oscillations cohérentes apparaissant dans nos données. » John Nichol, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, a déclaré à Phys.org. « Il nous a fallu un peu de temps pour trouver l’explication théorique, mais une fois que nous l’avons fait, tout s’est mis en place. Le couplage spin-valley a déjà été exploré à plusieurs reprises, mais jamais pour arbitrer directement des transitions cohérentes entre différents états de spin. »
La stratégie de contrôle des spins d’électrons dans le silicium proposée par Nichol et ses collègues tire parti du couplage spin-vallée, l’interaction entre le spin d’un électron et les états de vallée. Les électrons dans les points quantiques de silicium ont à la fois des nombres quantiques de spin et de vallée. Leur état de rotation peut être « haut » ou « bas », tandis que leur état de vallée peut être + ou -.
« A un certain champ magnétique, l’énergie de l’état haut, +, par exemple, peut être presque égale en énergie à l’état bas, -« , a expliqué Nichol. « Parce que la différence d’énergie entre les états + et – dépend des champs électriques, nous pouvons utiliser une impulsion de tension pour ensuite faire monter, + exactement en résonance avec bas, -. Lorsque cela se produit, un électron initialement préparé dans un état haut, + oscillera de manière cohérente vers le bas, -, et d’avant en arrière. Ce sont des oscillations de vallée de spin.
Jusqu’à présent, la méthode standard pour manipuler les spins des électrons dans les points quantiques de silicium impliquait l’utilisation de champs magnétiques variant dans le temps. Nichol et ses collègues ont montré que leur stratégie permet la manipulation cohérente des spins électroniques sans avoir besoin d’utiliser des champs électromagnétiques oscillants.
« Les champs magnétiques oscillants peuvent être particulièrement difficiles à générer à des températures cryogéniques, et le couplage spin-vallée élimine ce besoin », a déclaré Nichol. « Une autre réalisation est que le degré de liberté de vallée dans le silicium a souvent été considéré comme un » bogue « plutôt qu’une caractéristique des qubits de silicium, mais notre travail montre que cela peut être une caractéristique très utile. »
Les travaux récents de cette équipe de chercheurs mettent en évidence la promesse d’utiliser le couplage spin-vallée pour obtenir le contrôle cohérent des qubits basé sur les spins d’électrons confinés dans des points quantiques de silicium. Dans leurs prochains articles, ils espèrent mieux comprendre quelles caractéristiques de la croissance, de la fabrication et du réglage des points quantiques peuvent avoir un impact sur le couplage spin-vallée, car cela pourrait éclairer davantage la fabrication de technologies d’informatique quantique à base d’électrons.
« Nous aimerions également explorer comment on pourrait implémenter des portes multi-qubits dans ce cadre », a ajouté Nichol. « L’un des défis est que le champ magnétique doit être réglé séparément pour chaque qubit, et nous recherchons des moyens réalistes de le mettre en œuvre. »
Plus d’information:
Xinxin Cai et al, Oscillations de vallée de spin cohérentes dans le silicium, Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-022-01870-y
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