La quête d’un bit quantique idéal —

Vous consultez sans aucun doute cet article sur un appareil numérique dont l’unité d’information de base est le bit, soit 0 ou 1. Les scientifiques du monde entier se précipitent pour développer un nouveau type d’ordinateur basé sur l’utilisation de bits quantiques, ou qubits.

Dans un récent article de Nature, une équipe dirigée par le laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) a annoncé la création d’une nouvelle plate-forme qubit formée en congelant du gaz néon dans un solide à très basse température, en pulvérisant des électrons à partir du filament d’une ampoule. sur le solide, et y piéger un seul électron. Ce système est très prometteur pour être développé en blocs de construction idéaux pour les futurs ordinateurs quantiques.

Pour réaliser un ordinateur quantique utile, les exigences de qualité pour les qubits sont extrêmement exigeantes. Bien qu’il existe aujourd’hui différentes formes de qubits, aucune n’est idéale.

Qu’est-ce qui ferait un qubit idéal ? Il a au moins trois qualités exceptionnelles, selon Dafei Jin, scientifique argonnais et chercheur principal du projet.

Il peut rester dans un état simultané 0 et 1 (rappelez-vous le chat !) pendant longtemps. Les scientifiques appellent cette longue “cohérence”. Idéalement, ce temps serait d’environ une seconde, un pas de temps que nous pouvons percevoir sur une horloge domestique dans notre vie quotidienne.

Deuxièmement, le qubit peut être changé d’un état à un autre en peu de temps. Idéalement, ce temps serait d’environ un milliardième de seconde (nanoseconde), un pas de temps d’une horloge informatique classique.

Troisièmement, le qubit peut être facilement lié à de nombreux autres qubits afin qu’ils puissent fonctionner en parallèle les uns avec les autres. Les scientifiques appellent cette liaison un enchevêtrement.

Bien qu’à l’heure actuelle, les qubits bien connus ne soient pas idéaux, des entreprises comme IBM, Intel, Google, Honeywell et de nombreuses startups ont choisi leur favori. Ils poursuivent activement l’amélioration technologique et la commercialisation.

“Notre objectif ambitieux n’est pas de concurrencer ces entreprises, mais de découvrir et de construire un système qubit fondamentalement nouveau qui pourrait conduire à une plate-forme idéale”, a déclaré Jin.

Bien qu’il existe de nombreux choix de types de qubits, l’équipe a choisi le plus simple : un seul électron. Chauffer un simple filament lumineux que vous pourriez trouver dans un jouet d’enfant peut facilement produire une quantité illimitée d’électrons.

L’un des défis pour tout qubit, y compris l’électron, est qu’il est très sensible aux perturbations de son environnement. Ainsi, l’équipe a choisi de piéger un électron sur une surface de néon solide ultrapure dans le vide.

Le néon est l’un des rares éléments inertes qui ne réagissent pas avec d’autres éléments. “En raison de cette inertie, le néon solide peut servir de solide le plus propre possible dans le vide pour héberger et protéger tous les qubits contre les perturbations”, a déclaré Jin.

Un composant clé de la plate-forme qubit de l’équipe est un résonateur micro-ondes à l’échelle d’une puce constitué d’un supraconducteur. (Le four à micro-ondes domestique beaucoup plus grand est également un résonateur à micro-ondes.) Les supraconducteurs – des métaux sans résistance électrique – permettent aux électrons et aux photons d’interagir ensemble à un niveau proche du zéro absolu avec une perte minimale d’énergie ou d’informations.

“Le résonateur à micro-ondes fournit de manière cruciale un moyen de lire l’état du qubit”, a déclaré Kater Murch, professeur de physique à l’Université de Washington à St. Louis et co-auteur principal de l’article. “Il concentre l’interaction entre le qubit et le signal micro-ondes. Cela nous permet de faire des mesures indiquant à quel point le qubit fonctionne.”

“Avec cette plate-forme, nous avons obtenu, pour la toute première fois, un couplage fort entre un électron unique dans un environnement proche du vide et un photon micro-onde unique dans le résonateur”, a déclaré Xianjing Zhou, postdoctorant nommé à Argonne et premier auteur de le papier. “Cela ouvre la possibilité d’utiliser des photons micro-ondes pour contrôler chaque qubit d’électrons et en relier plusieurs dans un processeur quantique”, a ajouté Zhou.

L’équipe a testé la plate-forme dans un instrument scientifique appelé réfrigérateur à dilution, qui peut atteindre des températures aussi basses que 10 millidegrés au-dessus du zéro absolu. Cet instrument est l’une des nombreuses capacités quantiques du Center for Nanoscale Materials d’Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

L’équipe a effectué des opérations en temps réel sur un qubit d’électrons et caractérisé ses propriétés quantiques. Ces tests ont démontré que le néon solide fournit un environnement robuste pour l’électron avec un très faible bruit électrique pour le perturber. Plus important encore, le qubit a atteint des temps de cohérence dans l’état quantique compétitifs avec les qubits de pointe.

“Nos qubits sont en fait aussi bons que ceux que les gens développent depuis 20 ans”, a déclaré David Schuster, professeur de physique à l’Université de Chicago et co-auteur principal de l’article. “Ce n’est que notre première série d’expériences. Notre plate-forme qubit est loin d’être optimisée. Nous continuerons d’améliorer les temps de cohérence. Et parce que la vitesse de fonctionnement de cette plate-forme qubit est extrêmement rapide, seulement quelques nanosecondes, la promesse de la mettre à l’échelle jusqu’à de nombreux qubits intriqués est important.”

Il y a encore un autre avantage à cette remarquable plate-forme qubit. “Grâce à la simplicité relative de la plate-forme électron sur néon, elle devrait se prêter à une fabrication facile à faible coût”, a déclaré Jin. “Il semblerait qu’un qubit idéal se profile à l’horizon.”

L’équipe a publié ses découvertes dans un article de Nature intitulé “Électrons simples sur néon solide en tant que plate-forme qubit à l’état solide”. Outre Jin et Zhou, les contributeurs d’Argonne incluent Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li et Ralu Divan. En plus de David Schuster, les contributeurs de l’Université de Chicago incluent également Brennan Dizdar. En plus de Kater Murch de l’Université de Washington à St. Louis, d’autres chercheurs incluent Wei Guo de l’Université d’État de Floride, Gerwin Koolstra du Lawrence Berkeley National Laboratory et Ge Yang du Massachusetts Institute of Technology.

Le financement de la recherche sur l’Argonne provenait principalement du Bureau des sciences énergétiques fondamentales du DOE, du programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire d’Argonne et de la Fondation Julian Schwinger pour la recherche en physique.