Ce n’est qu’un début, affirment les scientifiques travaillant sur la nouvelle technologie.
Les ordinateurs quantiques sont sur le point de révolutionner des domaines tels que la cryptographie, la biologie et la médecine en surpassant largement les ordinateurs classiques dans la résolution de problèmes. La clé de leur avantage réside dans les qubits, unités fondamentales de l’information quantique, qui peuvent exister simultanément dans plusieurs états, permettant l’exécution d’algorithmes complètement différents.
Cependant, pour libérer tout leur potentiel, il faut le fonctionnement coordonné de centaines, voire de milliers de qubits sur de longues périodes. Cela s’est avéré difficile car les états quantiques des qubits sont facilement perturbés par leur environnement.
Une équipe de recherche a proposé une nouvelle solution à ce problème : créer des ordinateurs quantiques évolutifs dans lesquels les qubits sont des défauts dans un réseau cristallin de silicium.
« Pour créer une architecture ou un réseau quantique évolutif, nous avons besoin de qubits capables de se former de manière fiable à la demande, aux emplacements souhaités, afin de savoir où se trouve le qubit dans un matériau. Et c’est pourquoi notre approche est essentielle », a déclaré Kaushalya Jhuria, chercheuse postdoctorale à la division ATAP (Accelerator Technologies and Applied Physics) du Berkeley Lab et auteur principal de l’étude, dans un communiqué. communiqué de presse« Parce qu’une fois que nous savons où se trouve un qubit spécifique, nous pouvons déterminer comment connecter ce qubit à d’autres composants du système et créer un réseau quantique. »
Informatique quantique avec défauts de réseau
Les défauts dans un réseau cristallin se produisent lorsque les atomes sont déplacés de leurs positions habituelles dans un matériau, ce qui entraîne une modification des propriétés de leur interaction avec les atomes voisins et des noyaux des atomes défectueux avec leurs électrons.
Ces changements pourraient rendre certains états quantiques atomiques facilement adressables et contrôlés, ce qui signifie que les défauts peuvent être utilisés pour stocker et manipuler des informations quantiques, ce qui en fait des candidats potentiels pour les qubits.
Ces dernières années, le développement d’ordinateurs quantiques basés sur des défauts de silicium a gagné du terrain, car les propriétés de leurs états quantiques se traduisent par une fréquence d’émission bien définie, une bonne luminosité, ainsi que par leur capacité à émettre des photons uniques, ce qui permet une communication fiable.
Cependant, la construction d’un ordinateur quantique fonctionnel à l’aide de cette méthode s’est révélée difficile. La formation traditionnelle des qubits implique un traitement à haute température, ou recuit, de fines tranches de silicium, appelées wafers, dans un four spécial. Le recuit de la tranche forme des qubits de manière aléatoire, mais ce caractère aléatoire rend difficile de garantir des interactions contrôlées et fiables entre les qubits.
Le recuit laser vient à la rescousse
Dans leur étude publiée dans Nature Communications, l’équipe a proposé une méthode innovante pour affiner cette technologie. Ils ont utilisé une impulsion laser femtoseconde pour recuire localement une plaquette de silicium dopée au carbone en présence d’hydrogène, ce qui crée des défauts à des endroits précis et y intègre des atomes d’hydrogène, améliorant ainsi leur aptitude en tant que qubits.
La qualité du défaut s’est améliorée car l’interaction d’un atome d’hydrogène supplémentaire avec les atomes de silicium et de carbone du défaut a créé deux états quantiques facilement adressables qui peuvent jouer le rôle de 0 et 1 dans les calculs quantiques.
Les chercheurs ont également découvert qu’en augmentant la puissance de l’impulsion laser, le défaut pouvait être effacé, ramenant ainsi le réseau cristallin à son état d’origine. Cette découverte implique que les qubits peuvent être écrits et effacés à volonté.
“Les impulsions laser femtoseconde peuvent expulser des atomes d’hydrogène ou les ramener, permettant ainsi la formation programmable des qubits optiques souhaités à des emplacements précis”, a déclaré Jhuria.
Les scientifiques pensent que leur découverte pourrait faire progresser considérablement l’informatique quantique à base de silicium et contribuer ainsi à la création d’un ordinateur fonctionnel à grande échelle.
“Cela pourrait ouvrir une nouvelle voie potentielle à l’industrie pour surmonter les défis liés à la fabrication de qubits et au contrôle qualité”, a expliqué Thomas Schenkel, responsable du programme de science de la fusion et de technologie des faisceaux d’ions de la division ATAP du laboratoire de Berkeley.
Défis et orientations futurs
Malgré ces progrès considérables dans la formation de qubits de haute qualité, la construction d’un ordinateur quantique fonctionnel basé sur des défauts de silicium nécessite de nouvelles avancées. La prochaine étape consiste à faire fonctionner ces qubits ensemble pour effectuer des calculs qui sont hors de portée des ordinateurs classiques.
“Maintenant que nous pouvons faire de manière fiable [defects], nous voulons que différents qubits communiquent entre eux – ce qui est une incarnation de l’intrication quantique », a déclaré Jhuria. “Ce n’est que le début.”
L’une des pistes de recherche futures consiste à identifier d’autres défauts aux propriétés encore meilleures qui pourraient servir de qubits. Une autre voie est une analyse mécanique quantique plus détaillée du comportement des noyaux atomiques et des électrons au sein des défauts. Cela pourrait approfondir notre compréhension des processus au cours du recuit laser et guider de futures recherches expérimentales.
« La capacité de former des qubits à des emplacements programmables dans un matériau comme le silicium, disponible à grande échelle, constitue une étape passionnante vers la mise en réseau et l’informatique quantiques pratiques », a conclu Cameron Geddes, directeur de la division ATAP.
Le chemin vers des ordinateurs quantiques pleinement fonctionnels est difficile, et beaucoup remettent en question sa viabilité, mais à chaque pas en avant, l’objectif devient de plus en plus réalisable.
Référence : K. Jhuria et al, Formation d’émetteurs quantiques programmables dans le silicium, Communications Nature (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-48714-2
Crédits de l’image principale : FreeCreativeStuff sur Pixabay
2024-06-28 10:02:10
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