Des chercheurs australiens ont conçu un nouveau type de qubit – l’élément constitutif des ordinateurs quantiques – qui, selon eux, permettra enfin de fabriquer un véritable ordinateur quantique à grande échelle.
De manière générale, il existe actuellement plusieurs façons de fabriquer un ordinateur quantique. Certaines prennent moins de place, mais ont tendance à être incroyablement complexes. D’autres sont plus simples, mais si vous souhaitez qu’il soit mis à l’échelle, vous allez devoir abattre quelques murs.
Certaines méthodes éprouvées pour capturer un qubit consistent à utiliser la technologie standard de manipulation des atomes, comme les pièges à ions et les pinces optiques, qui peuvent retenir les particules suffisamment longtemps pour que leurs états quantiques puissent être analysés.
D’autres utilisent des circuits faits de matériaux supraconducteurs pour détecter les superpositions quantiques au sein de courants électriques follement glissants.
L’avantage de ce type de systèmes est qu’ils reposent sur des techniques et des équipements existants, ce qui les rend relativement abordables et faciles à mettre en place.
Le coût est lié à l’espace : la technologie peut convenir à un nombre relativement faible de qubits, mais lorsqu’il s’agit d’en relier des centaines ou des milliers à un ordinateur, l’échelle devient rapidement infranchissable.
Grâce au codage de l’information dans le noyau et l’électron d’un atome, le nouveau qubit en silicium, appelé “flip-flop qubit”, peut être contrôlé par des signaux électriques plutôt que magnétiques. Cela signifie qu’il peut maintenir l’intrication quantique sur une distance plus grande que jamais, ce qui le rend moins cher et plus facile à intégrer dans un ordinateur évolutif.
“S’ils sont trop proches ou trop éloignés les uns des autres, l’intrication entre les bits quantiques – qui rend les ordinateurs quantiques si spéciaux – ne se produit pas”, explique le chercheur à l’origine de ce nouveau qubit, Guilherme Tosi, de l’université de Nouvelle-Galles du Sud en Australie.
Le qubit à bascule se situera entre ces deux extrêmes, offrant une véritable intrication quantique sur une distance de plusieurs centaines de nanomètres.
En d’autres termes, c’est peut-être ce que nous attendions pour rendre les ordinateurs quantiques sur silicium évolutifs.
Pour être clair, nous ne disposons pour l’instant que d’un plan du dispositif, qui n’a pas encore été construit. Mais selon le chef d’équipe, Andrea Morello, ce développement est aussi important pour le domaine que l’article fondamental de Bruce Kane paru dans Nature en 1998, qui a donné le coup d’envoi du mouvement de l’informatique quantique au silicium.
“Comme l’article de Kane, il s’agit d’une théorie, d’une proposition – le qubit doit encore être construit”, explique Andrea Morello. “Nous disposons de données expérimentales préliminaires qui suggèrent que c’est tout à fait faisable, et nous travaillons donc à en faire la démonstration complète. Mais je pense que ce projet est aussi visionnaire que l’article original de Kane.”
Le qubit à bascule fonctionne en codant les informations sur l’électron ET le noyau d’un atome de phosphore implanté à l’intérieur d’une puce de silicium et relié par un réseau d’électrodes. Le tout est ensuite refroidi à un niveau proche du zéro absolu et baigné dans un champ magnétique.
La valeur du qubit est alors déterminée par des combinaisons d’une propriété binaire appelée spin. Si le spin est “haut” pour un électron et “bas” pour le noyau, le qubit représente une valeur globale de 1. Inversé, c’est un 0.
Il reste donc la superposition des états de spin à utiliser dans les opérations quantiques.
Dans la bascule, les chercheurs sont capables de contrôler le qubit en utilisant un champ électrique au lieu de signaux magnétiques – ce qui présente deux avantages. Il est plus facile de l’intégrer aux circuits électroniques normaux et, surtout, cela signifie également que les qubits peuvent communiquer sur de plus grandes distances.
“Pour faire fonctionner ce qubit, vous devez éloigner un peu l’électron du noyau, à l’aide des électrodes situées en haut. En faisant cela, vous créez également un dipôle électrique”, explique Tosi.
“C’est le point crucial”, ajoute Morello. “Ces dipôles électriques interagissent entre eux sur des distances assez grandes, une bonne fraction de micron, soit 1 000 nanomètres.”
“Cela signifie que nous pouvons maintenant placer les qubits monoatomiques beaucoup plus loin les uns des autres que ce que l’on pensait possible auparavant. Il y a donc beaucoup d’espace pour intercaler les composants classiques clés tels que les interconnexions, les électrodes de contrôle et les dispositifs de lecture, tout en conservant la nature atomique précise du bit quantique.”
“C’est plus facile à fabriquer que les dispositifs à l’échelle atomique, mais cela nous permet tout de même de placer un million de qubits sur un millimètre carré.”
Ce que ce nouveau qubit à bascule signifie, c’est un équilibre qui pourrait rendre les futurs ordinateurs quantiques petits et potentiellement abordables.
“C’est une conception brillante, et comme beaucoup de sauts conceptuels de ce type, il est étonnant que personne n’y ait pensé avant”, déclare Morello.
La recherche a été publiée dans Nature Communications.
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