Les qubits «chauds» franchissent la barrière de température de l’informatique quantique

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La course à la construction d’un ordinateur quantique qui fonctionne dans le monde réel se réchauffe. Au sens propre.

Points clés

  • La température est un obstacle majeur au développement des ordinateurs quantiques dans le monde réel
  • Deux expériences ont montré que les qubits piégés dans le silicium peuvent fonctionner à des températures plus élevées que précédemment
  • Selon les scientifiques, cela pourrait réduire le coût et la taille des ordinateurs quantiques et permettre d’intégrer des puces quantiques dans la technologie existante.

De nombreuses technologies informatiques quantiques dans le monde fonctionnent à environ 0,1 Kelvin – juste une fraction au-dessus du zéro absolu (-273 degrés Celsius).

Pour garder la technologie aussi froide, les scientifiques doivent utiliser des techniques spéciales de réfrigération cryogénique.

Mais maintenant, deux équipes de physiciens – l’une en Australie, l’autre aux Pays-Bas – ont développé une technologie quantique dans le silicium qui fonctionne jusqu’à 1,5 Kelvin, rapportent-ils dans la revue Nature.

Ce saut de température peut ne pas nous sembler beaucoup, mais c’est chaud à l’échelle quantique et fait une énorme différence, a déclaré Andrew Dzurak de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud et co-auteur de la recherche australienne.

Non seulement cela pourrait réduire considérablement le coût et la taille d’un ordinateur quantique, a-t-il dit, mais cela met la technologie sur le chemin de pouvoir être intégrée à la technologie existante et mise à l’échelle.

“Tout le monde dans la communauté accepte qu’il nous reste au moins une décennie avant d’avoir des ordinateurs quantiques suffisamment puissants pour vraiment résoudre les problèmes du monde réel”, a déclaré le professeur Dzurak.

“Tout cela, tout d’un coup, enlève l’un des plus gros obstacles à la réalisation de cet objectif et pourrait réduire les années de réalisation de cet objectif.”

Pourquoi la température est-elle si importante?

Dans l’informatique traditionnelle, les bits sont 1 ou 0, tandis que dans un ordinateur quantique, les qubits peuvent être les deux nombres en même temps.

Avec la capacité d’effectuer plusieurs calculs à la fois, l’espoir est que les ordinateurs quantiques puissent fouiller dans d’énormes bases de données dans le but de résoudre rapidement des problèmes tels que le développement de médicaments et des algorithmes complexes.

L’année dernière, Google a annoncé avoir atteint la “suprématie quantique” en reliant 53 qubits sur une puce supraconductrice.

Mais, a déclaré le professeur Dzurak, les ordinateurs quantiques ont besoin de millions de qubits sur une seule puce pour résoudre des problèmes du monde réel.

Et plus il y a de qubits, plus la chaleur est générée, ce qui entraîne une perte d’informations.

Les Qubits sont traditionnellement réfrigérés à l’aide de deux types différents d’isotopes d’hélium, dont l’un ne peut être produit que dans des réacteurs nucléaires, pour les maintenir proches du zéro absolu.

Non seulement ce processus est coûteux, mais tous les câbles reliant les qubits aux puces conventionnelles comme celles de votre mobile ou ordinateur portable doivent être refroidis à cette température.

“C’est physiquement impossible et un cauchemar technique”, a déclaré le professeur Dzurak.

“L’idée est maintenant que nous pouvons obtenir un système beaucoup plus miniaturisé, qui est beaucoup plus ingénieux et moins cher.”

Qu’ont-ils fait?

En 2015, le professeur Dzurak et ses collègues ont miniaturisé et refroidi un semi-conducteur à oxyde métallique – ou transistor – utilisé dans les appareils électroniques actuels jusqu’à 100 milliKelvin pour créer un point quantique contenant des électrons.

Bien qu’ils aient démontré qu’ils pouvaient écrire des informations sur le spin des électrons piégés dans la couche inférieure de silicium sur chaque point, ils n’avaient pas la technologie à l’époque pour lire les informations.

“Un bit quantique n’est utile que si vous pouvez lire son état et dire maintenant qu’il est nul, maintenant c’est un.”

Au cours des trois années suivantes, Henry Yang, un chercheur postdoctoral de l’équipe, a développé une technique qui a forcé les électrons à se creuser un tunnel entre les points quantiques, permettant la lecture des qubits.

“Henry a réalisé qu’en faisant cela, nous pouvions fonctionner à des températures élevées”, a déclaré le professeur Dzurak.

À la fin de l’année dernière, la deuxième équipe dirigée par Menno Veldhorst à l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas a mené une expérience similaire avec des résultats similaires.

“Ce que cela montre, c’est que la technologie est très reproductible, très fiable. Ce n’est pas seulement unique”, a déclaré le professeur Dzurak.

Comment fonctionnerait un ordinateur quantique?

Dans cette vision d’un ordinateur quantique, les qubits seraient assis à côté et connectés à des puces de silicium régulières, qui contrôleraient le processeur quantique.

Non seulement cela les rendrait plus petits mais, comme les deux types de puces fonctionnent au-dessus de 1 Kelvin, ils pourraient être refroidis en utilisant des techniques de réfrigération conventionnelles.

Bien qu’il soit trop tôt pour dire si cette technologie gagnera ou non la course quantique – il existe de nombreuses autres approches pour faire des qubits en développement – la recherche s’attaque à un “problème négligé”, a déclaré David Reilly, physicien quantique à l’Université de Sydney. et Microsoft.

“C’est fantastique de voir que les efforts de recherche se tournent maintenant vers les défis qui limiteront l’évolutivité, et la température en fait partie”, a déclaré le professeur Reilly.

La capacité de démontrer que la technologie peut fonctionner à des températures beaucoup plus élevées ouvre la voie pour passer d’une poignée de qubits à des millions de qubits.

Mais bien que les deux expériences aient montré que les qubits pouvaient fonctionner au-dessus de 1 Kelvin, il a déclaré que les résultats ont également montré que la qualité des informations sur les qubits était affectée par les températures plus élevées.

“Il n’est pas encore clair ou incertain de savoir si cette dégradation de la qualité sera si précieuse que leur fonctionnement à des températures plus élevées ne sera pas viable”, a déclaré le professeur Reilly.

Mais, a-t-il ajouté, les progrès scientifiques réalisés dans les expériences étaient importants pour la recherche en cours, non seulement en informatique quantique, mais aussi dans d’autres domaines de la physique.

“Même si les performances sont dégradées, cela accélère rapidement le cycle de recherche.”

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