Des physiciens démontrent le transport d’électrons sur une puce quantique


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  • Des millions de bits quantiques sont nécessaires pour que les ordinateurs quantiques s’avèrent utiles dans des applications pratiques. L’évolutivité est l’un des plus grands défis dans le développement des futurs appareils. Un problème est que les qubits doivent être très proches les uns des autres sur la puce afin de les coupler ensemble. Des chercheurs du Forschungszentrum Jülich et de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle ont maintenant fait un pas de plus vers la résolution du problème. Ils ont réussi à transférer des électrons, porteurs d’informations quantiques, sur plusieurs micromètres sur une puce quantique. Leur « bus quantique » pourrait être l’élément clé pour maîtriser le saut vers des millions de qubits.

    Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de dépasser largement les capacités des ordinateurs conventionnels pour certaines tâches. Mais il reste encore un long chemin à parcourir avant qu’ils puissent aider à résoudre les problèmes du monde réel. De nombreuses applications nécessitent des processeurs quantiques avec des millions de bits quantiques. Les prototypes d’aujourd’hui proposent simplement quelques-unes de ces unités de calcul.

    « Actuellement, chaque qubit individuel est connecté via plusieurs lignes de signal pour contrôler des unités de la taille d’une armoire. Cela fonctionne toujours pour quelques qubits. Mais cela n’a plus de sens si vous voulez mettre des millions de qubits sur la puce. Parce que cela ‘ s nécessaire pour la correction des erreurs quantiques », explique le Dr Lars Schreiber de l’Institut JARA pour l’information quantique au Forschungszentrum Jülich et à l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle.

    À un moment donné, le nombre de lignes de signal devient un goulot d’étranglement. Les lignes prennent trop de place par rapport à la taille des minuscules qubits. Et une puce quantique ne peut pas avoir des millions d’entrées et de sorties – une puce classique moderne n’en contient qu’environ 2000. Avec ses collègues du Forschungszentrum Jülich et de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle, Schreiber mène des recherches depuis plusieurs années pour trouver une solution à ce problème.

    Leur objectif général est d’intégrer des parties de l’électronique de contrôle directement sur la puce. L’approche est basée sur ce que l’on appelle des qubits de spin semi-conducteurs constitués de silicium et de germanium. Ce type de qubit est relativement petit. Les processus de fabrication correspondent largement à ceux des processeurs au silicium conventionnels. Ceci est considéré comme avantageux lorsqu’il s’agit de réaliser de très nombreux qubits. Mais d’abord, certains obstacles fondamentaux doivent être surmontés.

    « L’enchevêtrement naturel causé par la seule proximité des particules est limité à une très petite plage, environ 100 nanomètres. Pour coupler les qubits, ils doivent actuellement être placés très près les uns des autres. Il n’y a tout simplement pas d’espace pour des l’électronique de contrôle que nous aimerions y installer », déclare Schreiber.

    Pour différencier les qubits, l’Institut JARA pour l’information quantique (IQI) a eu l’idée d’une navette quantique. Ce composant spécial devrait aider à échanger des informations quantiques entre les qubits sur de plus grandes distances. Les chercheurs travaillent sur le « bus quantique » depuis cinq ans et ont déjà déposé plus de 10 brevets. La recherche a débuté dans le cadre du consortium européen QuantERA Si-QuBus et se poursuit actuellement dans le cadre du projet national QUASAR du ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche (BMBF) en collaboration avec des partenaires industriels.

    « Environ 10 micromètres doivent être pontés d’un qubit à l’autre. Selon la théorie, des millions de qubits peuvent être réalisés avec une telle architecture. Nous avons récemment prédit cela en collaboration avec des ingénieurs de circuits de l’Institut central d’ingénierie, d’électronique et d’analyse de Forschungszentrum Jülich », explique le professeur Hendrik Bluhm, directeur de l’Institut IQI. Des chercheurs de TU Delft et d’Intel sont également arrivés à cette même conclusion.

    Une étape importante vient d’être franchie par Lars Schreiber et son équipe. Ils ont réussi à transporter un électron 5000 fois sur une distance de 560 nanomètres sans erreur significative. Cela correspond à une distance de 2,8 millimètres. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique npj Informations quantiques.

    Électrons « surfeurs »

    Une amélioration essentielle : les électrons sont pilotés au moyen de quatre signaux de commande simples qui, contrairement aux approches précédentes, ne deviennent pas plus complexes sur de plus longues distances. Ceci est important car sinon une électronique de commande étendue serait nécessaire, ce qui prendrait trop de place – ou ne pourrait pas être intégrée du tout sur la puce.

    Cette réalisation repose sur une nouvelle façon de transporter les électrons. « Jusqu’à présent, les gens ont essayé d’orienter les électrons spécifiquement autour des perturbations individuelles sur leur chemin. Ou ils ont créé une série de soi-disant points quantiques et ont laissé les électrons sauter d’un de ces points à l’autre. Les deux approches nécessitent un ajustement précis du signal, ce qui se traduit par une électronique de commande trop complexe », explique Lars Schreiber. « En revanche, nous générons une onde de potentiel sur laquelle les électrons surfent simplement sur diverses sources d’interférences. Quelques signaux de commande suffisent pour une onde aussi uniforme ; quatre impulsions sinusoïdales suffisent. »

    Dans une prochaine étape, les physiciens veulent maintenant montrer que l’information qubit codée dans le spin de l’électron n’est pas perdue pendant le transport. Des calculs théoriques ont déjà montré que cela est possible dans le silicium dans certaines gammes de vitesse. Le bus quantique ouvre ainsi la voie à une architecture d’ordinateur quantique évolutive pouvant également servir de base à plusieurs millions de qubits.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Forschungszentrum Juelich. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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