Contrôle total d’un processeur quantique à six qubits en silicium

Les chercheurs de QuTech, une collaboration entre l’Université de technologie de Delft et TNO, ont conçu un nombre record de six qubits de spin à base de silicium dans un réseau entièrement interopérable. Il est important de noter que les qubits peuvent fonctionner avec un faible taux d’erreur obtenu grâce à une nouvelle conception de puce, une procédure d’étalonnage automatisée et de nouvelles méthodes d’initialisation et de lecture des qubits. Ces avancées contribueront à un ordinateur quantique évolutif basé sur le silicium. Les résultats sont publiés dans La nature aujourd’hui.

Différents matériaux peuvent être utilisés pour produire des qubits, l’analogue quantique du bit de l’ordinateur classique, mais personne ne sait quel matériau s’avérera le meilleur pour construire un ordinateur quantique à grande échelle. À ce jour, il n’y a eu que de petites démonstrations de silicium puces quantiques avec des opérations qubit de haute qualité. Maintenant, des chercheurs de QuTech, dirigés par le professeur Lieven Vandersypen, ont produit une puce à six qubits en silicium qui fonctionne avec de faibles taux d’erreur. Il s’agit d’une étape majeure vers un ordinateur quantique tolérant aux pannes utilisant du silicium.

Pour fabriquer les qubits, des électrons individuels sont placés dans un réseau linéaire de six “points quantiques” espacés de 90 nanomètres. Le réseau de points quantiques est constitué d’une puce de silicium avec des structures qui ressemblent étroitement au transistor – un composant commun à chaque puce informatique. Une propriété mécanique quantique appelée spin est utilisée pour définir un qubit avec son orientation définissant le État logique 0 ou 1. L’équipe a utilisé un rayonnement micro-ondes, des champs magnétiques et des potentiels électriques finement réglés pour contrôler et mesurer le spin des électrons individuels et les faire interagir les uns avec les autres.

“Le défi de l’informatique quantique se compose aujourd’hui de deux parties”, a expliqué le premier auteur, M. Stephan Philips. “Développer des qubits de qualité suffisante et développer une architecture permettant de construire de grands systèmes de qubits. Notre travail s’inscrit dans les deux catégories. Et puisque l’objectif global de construire un ordinateur quantique est un effort énorme, je pense que c’est juste de dire que nous avons apporté une contribution dans la bonne direction.”

Le spin de l’électron est une propriété délicate. De minuscules changements dans l’environnement électromagnétique font fluctuer la direction du spin, ce qui augmente le taux d’erreur. L’équipe QuTech s’est appuyée sur son expérience antérieure dans l’ingénierie des points quantiques avec de nouvelles méthodes pour préparer, contrôler et lire les états de spin des électrons. En utilisant ce nouvel arrangement de qubits, ils pourraient créer des portes logiques et des systèmes intriqués de deux ou trois électrons, à la demande.

Des réseaux quantiques de plus de 50 qubits ont été produits à l’aide de qubits supraconducteurs. Cependant, c’est la disponibilité mondiale de l’infrastructure d’ingénierie du silicium qui donne aux dispositifs quantiques au silicium la promesse d’une migration plus facile de la recherche vers l’industrie. Le silicium pose certains défis d’ingénierie, et jusqu’à ce travail de l’équipe QuTech, seuls des réseaux de trois qubits maximum pouvaient être conçus en silicium sans sacrifier la qualité.

“Cet article montre qu’avec une ingénierie soignée, il est possible d’augmenter le nombre de qubits de spin de silicium tout en conservant la même précision que pour les qubits simples. Le bloc de construction clé développé dans cette recherche pourrait être utilisé pour ajouter encore plus de qubits dans les prochaines itérations de étude », a déclaré le co-auteur, le Dr Mateusz Madzik.

“Dans cette recherche, nous repoussons l’enveloppe du nombre de qubits dans le silicium et obtenons des fidélités d’initialisation élevées, des fidélités de lecture élevées, des fidélités de porte élevées à un seul qubit et des fidélités élevées à deuxqubit fidélités d’état », a déclaré le professeur Vandersypen. « Ce qui ressort vraiment, c’est que nous démontrons toutes ces caractéristiques ensemble dans une seule expérience sur un nombre record de qubits.