Les ingénieurs en informatique quantique établissent une nouvelle norme en matière de performances des puces en silicium


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  • Deux millisecondes – ou deux millièmes de seconde – est un temps extraordinairement long dans le monde de l’informatique quantique.

    Sur ces échelles de temps, un clin d’œil – à un dixième de seconde – est comme une éternité.

    Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de l’UNSW Sydney a innové en prouvant que les « qubits de spin » – propriétés des électrons représentant les unités d’information de base dans les ordinateurs quantiques – peuvent contenir des informations jusqu’à deux millisecondes. Connu sous le nom de «temps de cohérence», la durée pendant laquelle les qubits peuvent être manipulés dans des calculs de plus en plus compliqués, la réalisation est 100 fois plus longue que les références précédentes dans le même processeur quantique.

    « Un temps de cohérence plus long signifie que vous avez plus de temps pendant lequel vos informations quantiques sont stockées – ce qui est exactement ce dont vous avez besoin lorsque vous effectuez des opérations quantiques », déclare la doctorante Mme Amanda Seedhouse, dont les travaux en informatique quantique théorique ont contribué à la réalisation.

    « Le temps de cohérence vous indique essentiellement combien de temps vous pouvez effectuer toutes les opérations dans n’importe quel algorithme ou séquence que vous voulez faire avant de perdre toutes les informations de vos qubits. »

    En informatique quantique, plus vous pouvez maintenir les spins en mouvement, meilleures sont les chances que l’information puisse être conservée pendant les calculs. Lorsque les qubits de spin cessent de tourner, le calcul s’effondre et les valeurs représentées par chaque qubit sont perdues. Le concept d’extension de la cohérence a déjà été confirmé expérimentalement par des ingénieurs quantiques de l’UNSW en 2016.

    Rendre la tâche encore plus difficile est le fait que les ordinateurs quantiques fonctionnels du futur devront suivre les valeurs de millions de qubits s’ils veulent résoudre certains des plus grands défis de l’humanité, comme la recherche de vaccins efficaces, la modélisation des systèmes météorologiques et prévoir les impacts du changement climatique.

    À la fin de l’année dernière, la même équipe de l’UNSW Sydney a résolu un problème technique qui avait bloqué les ingénieurs pendant des décennies sur la façon de manipuler des millions de qubits sans générer plus de chaleur et d’interférences. Plutôt que d’ajouter des milliers de minuscules antennes pour contrôler des millions d’électrons avec des ondes magnétiques, l’équipe de recherche a trouvé un moyen d’utiliser une seule antenne pour contrôler tous les qubits de la puce en introduisant un cristal appelé résonateur diélectrique. Ces résultats ont été publiés dans Avancées scientifiques.

    Cela a résolu le problème de l’espace, de la chaleur et du bruit qui augmenterait inévitablement à mesure que de plus en plus de qubits sont mis en ligne pour effectuer les calculs hallucinants qui sont possibles lorsque les qubits représentent non seulement 1 ou 0 comme les ordinateurs binaires conventionnels, mais les deux à la fois. , en utilisant un phénomène connu sous le nom de superposition quantique.

    Contrôle global vs contrôle individuel

    Cependant, cette réalisation de preuve de concept laissait encore quelques défis à résoudre. La chercheuse principale, Mme Ingvild Hansen, a rejoint Mme Seedhouse pour aborder ces questions dans une série d’articles publiés dans les revues Examen physique B, Examen physique A et Examens de physique appliquée — le dernier article publié juste cette semaine.

    Pouvoir contrôler des millions de qubits avec une seule antenne était un grand pas en avant. Mais alors que le contrôle de millions de qubits à la fois est un grand exploit, les ordinateurs quantiques fonctionnels auront également besoin qu’ils soient manipulés individuellement. Si tous les qubits de spin tournent à peu près à la même fréquence, ils auront les mêmes valeurs. Comment pouvons-nous les contrôler individuellement afin qu’ils puissent représenter différentes valeurs dans un calcul ?

    « Nous avons d’abord montré théoriquement que nous pouvons améliorer le temps de cohérence en faisant continuellement tourner les qubits », explique Mme Hansen.

    « Si vous imaginez un artiste de cirque faisant tourner des assiettes, alors qu’elles tournent encore, la performance peut continuer. De la même manière, si nous pilotons en continu des qubits, ils peuvent conserver des informations plus longtemps. Nous avons montré que de tels qubits « habillés » avaient une cohérence temps de plus de 230 microsecondes [230 millionths of a second]. »

    Après que l’équipe a montré que les temps de cohérence pouvaient être prolongés avec des qubits dits « habillés », le défi suivant était de rendre le protocole plus robuste et de montrer que les électrons contrôlés globalement peuvent également être contrôlés individuellement afin qu’ils puissent contenir différentes valeurs nécessaires. pour les calculs complexes.

    Ceci a été réalisé en créant ce que l’équipe a surnommé le protocole qubit « SMART » – modulé de manière sinusoïdale, toujours en rotation et sur mesure.

    Plutôt que de faire tourner les qubits en cercles, ils les ont manipulés pour basculer d’avant en arrière comme un métronome. Ensuite, si un champ électrique est appliqué individuellement à n’importe quel qubit – le mettant hors de résonance – il peut être mis dans un tempo différent de ses voisins, mais toujours se déplaçant au même rythme.

    « Pensez-y comme à deux enfants sur une balançoire qui avancent et reculent à peu près de manière synchronisée », explique Mme Seedhouse. « Si nous donnons un coup de pouce à l’un d’entre eux, nous pouvons les amener à atteindre la fin de leur arc aux extrémités opposées, de sorte que l’un peut être un 0 quand l’autre est maintenant un 1. »

    Le résultat est que non seulement un qubit peut être contrôlé individuellement (électroniquement) sous l’influence d’un contrôle global (magnétiquement), mais que le temps de cohérence est, comme indiqué précédemment, sensiblement plus long et adapté aux calculs quantiques.

    « Nous avons montré un moyen simple et élégant de contrôler tous les qubits à la fois, qui s’accompagne également de meilleures performances », déclare le Dr Henry Yang, l’un des chercheurs principaux de l’équipe.

    « Le protocole SMART sera une voie potentielle pour les ordinateurs quantiques à grande échelle. »

    L’équipe de recherche est dirigée par le professeur Andrew Dzurak, PDG et fondateur de Diraq, une société dérivée de l’UNSW qui développe des processeurs informatiques quantiques qui peuvent être fabriqués à l’aide de la fabrication standard de puces en silicium.

    Prochaines étapes

    « Notre prochain objectif est de montrer que cela fonctionne avec des calculs à deux qubits après avoir montré notre preuve de concept dans notre article expérimental avec un qubit », déclare Mme Hansen.

    « Après cela, nous voulons montrer que nous pouvons également le faire pour une poignée de qubits, pour montrer que la théorie est prouvée dans la pratique. »

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