Des chercheurs en sciences quantiques ont construit la première porte en silicium entre deux qubits atomiques

Dans une avancée majeure pour l’informatique quantique à l’échelle atomique, des scientifiques ont construit la première porte à deux qubits entre des atomes de silicium, permettant aux qubits de communiquer entre eux et d’effectuer des opérations plus rapidement que jamais auparavant.

Comme une porte à deux qubits est l’élément de base d’un ordinateur quantique, cette découverte a des implications assez étonnantes.

“Beaucoup de gens pensaient que cela ne serait pas possible”, a déclaré la physicienne quantique Michelle Simmons, de l’université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) en Australie.

Les Qubits sont des bits quantiques, et ils sont l’équivalent en informatique quantique des bits binaires, les unités de base de l’information. Toutefois, alors que les bits traitent l’information dans l’un des deux états suivants – un 1 ou un 0 – un qubit peut être dans l’état d’un 1, d’un 0 ou des deux simultanément, en fonction de son état de spin.

Ce dernier état – 1 et 0 en même temps – est connu sous le nom de superposition.

Comme nous l’avons indiqué plus tôt cette année, le maintien de la superposition des qubits permet aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes mathématiques complexes en effectuant des calculs basés sur la probabilité de l’état d’un objet avant qu’il ne soit mesuré.

Mais pour des calculs plus efficaces, nous voulons que les qubits puissent communiquer entre eux. D’où la porte à deux qubits, qu’une équipe de l’UNSW n’a réussi à réaliser qu’en 2015.

La technologie a fait du chemin. Plus tôt cette année, les chercheurs ont pu mesurer la précision des opérations à deux qubits.

Maintenant, en plaçant deux qubits atomiques plus près l’un de l’autre qu’ils ne l’ont jamais été, et en mesurant et contrôlant leurs états de spin en temps réel, une autre équipe dirigée par Simmons a réduit le temps d’une opération à deux qubits à seulement 0,8 nanoseconde.

C’est 200 fois plus rapide que toute autre porte à deux qubits développée à ce jour.

“Les qubits atomiques détiennent le record mondial des plus longs temps de cohérence d’un qubit en silicium avec les plus hautes fidélités”, a déclaré Simmons.

“L’optimisation de chaque aspect de la conception du dispositif avec une précision atomique nous a maintenant permis de construire une porte à deux qubits vraiment rapide et très précise, qui est la composante fondamentale d’un ordinateur quantique évolutif sur silicium.”

C’est un travail époustouflant. Tout d’abord, l’équipe a dû déterminer la distance optimale à laquelle placer les deux atomes de phosphore pour les opérations quantiques. Il s’est avéré que cette distance n’était que de 13 nanomètres.

Ensuite, elle a dû utiliser un microscope à effet tunnel – un instrument conçu pour visualiser les surfaces au niveau atomique – pour placer et encapsuler les atomes dans le silicium avec une grande précision, ainsi que les circuits nécessaires pour contrôler et lire les états de spin des qubits.

L’équipe a pu non seulement mesurer les changements dans les qubits en temps réel, mais aussi contrôler la force de l’interaction entre les deux.

“Nous avons pu rapprocher ou éloigner les électrons du qubit, ce qui a permis d’activer ou de désactiver l’interaction entre eux, une condition préalable à la création d’une porte quantique”, a déclaré le physicien quantique Yu He.

“Le confinement étroit des électrons du qubit, unique à notre approche, et le faible bruit inhérent à notre système nous ont permis de démontrer la porte à deux qubits en silicium la plus rapide à ce jour.”

Il ajoute qu’elle est parfaitement adaptée à l’envoi d’informations entre deux qubits. Et, lorsqu’elle est associée à une porte à un seul qubit, elle peut exécuter n’importe quel algorithme.

En théorie, ce système est évolutif. Il faudra encore un peu de temps pour le développer, mais cette réalisation est une étape importante qui ouvre la porte à cette évolutivité.

“C’était l’une des dernières étapes de l’équipe de Michelle, qui a démontré qu’elle pouvait réellement fabriquer un ordinateur quantique à l’aide de qubits atomiques”, a déclaré Emma Johnston, doyenne des sciences de l’UNSW.

“Leur prochain objectif majeur est de construire un circuit intégré quantique de 10 qubits – et nous espérons qu’ils y parviendront d’ici 3 à 4 ans.”

C’est parti !

La recherche a été publiée dans Nature.