Bits quantiques de spin « chauds » dans les transistors en silicium


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  • Les bits quantiques (qubits) sont les plus petites unités d’information dans un ordinateur quantique. Actuellement, l’un des plus grands défis dans le développement de ce type d’ordinateur puissant est l’évolutivité. Un groupe de recherche de l’Université de Bâle, en collaboration avec le laboratoire de recherche IBM de Rüschlikon, a fait une percée dans ce domaine.

    Les ordinateurs quantiques promettent une puissance de calcul sans précédent, mais à ce jour, les prototypes n’ont été basés que sur une poignée d’unités de calcul. Exploiter le potentiel de cette nouvelle génération d’ordinateurs nécessite de combiner de grandes quantités de qubits.

    C’est un problème d’évolutivité qui affectait également les ordinateurs classiques ; dans ce cas, il a été résolu avec des transistors intégrés dans des puces de silicium. L’équipe de recherche dirigée par le Dr Andreas Kuhlmann et le professeur Dominik Zumbühl de l’Université de Bâle a maintenant mis au point des qubits à base de silicium dont la conception est très similaire aux transistors en silicium classiques. Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans la revue Électronique naturelle.

    S’appuyant sur la technologie classique du silicium

    Dans les ordinateurs classiques, la solution au problème d’évolutivité résidait dans les puces en silicium, qui comprennent aujourd’hui des milliards de « transistors à effet de champ à ailettes » (FinFET). Ces FinFET sont suffisamment petits pour les applications quantiques ; à des températures très basses proches du zéro absolu (0 kelvin ou -273,15 degrés Celsius), un seul électron avec une charge négative ou un « trou » avec une charge positive peut agir comme un qubit de spin. Les qubits de spin stockent des informations quantiques dans les deux états spin-up (moment angulaire intrinsèque vers le haut) et spin-down (moment angulaire intrinsèque vers le bas).

    Les qubits développés par l’équipe de Kuhlmann sont basés sur l’architecture FinFET et utilisent des trous comme qubits de spin. Contrairement au spin électronique, le spin des trous dans les nanostructures de silicium peut être directement manipulé avec des signaux électriques rapides.

    Potentiel de températures de fonctionnement plus élevées

    Un autre obstacle majeur à l’évolutivité est la température ; Les systèmes qubit précédents devaient généralement fonctionner dans une plage extrêmement basse d’environ 0,1 kelvin. Le contrôle de chaque qubit nécessite des lignes de mesure supplémentaires pour connecter l’électronique de contrôle à température ambiante aux qubits du cryostat – une unité de refroidissement qui génère des températures extrêmement basses. Le nombre de ces lignes de mesure est limité car chaque ligne produit de la chaleur. Cela crée inévitablement un goulot d’étranglement dans le câblage, qui à son tour fixe une limite à la mise à l’échelle.

    Contourner ce « goulot d’étranglement du câblage » est l’un des principaux objectifs du groupe de recherche de Kuhlmann et nécessite que l’électronique de mesure et de contrôle soit intégrée directement dans l’unité de refroidissement. « Cependant, l’intégration de ces composants électroniques nécessite un fonctionnement qubit à des températures supérieures à 1 kelvin, la puissance de refroidissement des cryostats augmentant fortement pour compenser la dissipation thermique de l’électronique de contrôle », explique le Dr Leon Camenzind du Département de physique de l’Université de Bâle. Le doctorant Simon Geyer, qui partage la paternité principale de l’étude avec Camenzind, ajoute : « Nous avons surmonté la marque des 4 kelvins avec nos qubits, atteignant le point d’ébullition de l’hélium liquide. Ici, nous pouvons obtenir une puissance de refroidissement beaucoup plus grande, ce qui permet de l’intégration d’une technologie de contrôle cryogénique de pointe. »

    Proche des standards de l’industrie

    Travailler avec une technologie éprouvée telle que l’architecture FinFET pour construire un ordinateur quantique offre la possibilité d’évoluer jusqu’à un très grand nombre de qubits. « Notre approche consistant à s’appuyer sur la technologie du silicium existante nous rapproche des pratiques de l’industrie », déclare Kuhlmann. Les échantillons ont été créés au Binnig and Rohrer Nanotechnology Center du laboratoire IBM Research Zurich de Rüschlikon, partenaire du NCCR SPIN, basé à l’Université de Bâle et dont l’équipe de recherche fait partie.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par https://www.unibas.ch/fr.html. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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