10 000 opérations en 0,1 milliseconde : les nouveaux qubits font des merveilles

Dans l’univers de l’informatique quantique, la cohérence demeure un pilier essentiel. Les bits quantiques, ou qubits, sont les éléments constitutifs de cette technologie prometteuse. Une équipe dirigée par le Laboratoire national d’Argonne du Département de l’énergie des États-Unis (DOE) a franchi une étape importante dans ce domaine.

Les chercheurs ont réussi à prolonger le temps de cohérence pour leur nouveau type de qubit à un impressionnant 0,1 milliseconde – près de mille fois mieux que le précédent record.

« Plutôt que de réaliser 10 à 100 opérations sur les temps de cohérence des qubits de charge électronique conventionnels, nos qubits peuvent effectuer 10 000 opérations avec une très grande précision et rapidité », a indiqué Dafei Jin, professeur à l’Université de Notre Dame avec une nomination conjointe au Centre des matériaux à l’échelle nanométrique d’Argonne.

Dans la vie quotidienne, 0,1 milliseconde est aussi éphémère qu’un clin d’œil. Cependant, dans le monde quantique, cela représente une fenêtre suffisamment longue pour qu’un qubit effectue des milliers d’opérations. Contrairement aux bits classiques, les qubits semblent pouvoir exister dans les deux états, 0 et 1. Pour tout qubit fonctionnel, le maintien de cet état mixte pendant un temps de cohérence suffisamment long est impératif.

Les qubits de charge électronique

Les qubits de l’équipe codent l’information quantique dans les états de mouvement (charge) de l’électron. C’est pourquoi on les appelle des qubits de charge. «Parmi les différents qubits existants, les qubits de charge électronique sont particulièrement attrayants en raison de leur simplicité de fabrication et d’opération, ainsi que de leur compatibilité avec les infrastructures existantes pour les ordinateurs classiques», a précisé encore Dafei Jin.

Le qubit de l’équipe est un seul électron piégé sur une surface de néon solide ultra-propre dans un vide. Le néon est important car il résiste aux perturbations de l’environnement environnant. Le néon est l’un des rares éléments qui ne réagissent pas avec d’autres éléments. La plateforme de néon maintient le qubit électronique protégé et garantit intrinsèquement un long temps de cohérence.

En synthèse

Après une optimisation expérimentale continue, l’équipe a non seulement amélioré la qualité de la surface du néon, mais a également réduit de manière significative les signaux perturbateurs. Comme rapporté dans Nature Physics, leur travail a abouti à un temps de cohérence de 0,1 milliseconde. C’est environ mille fois plus que les 0,1 microsecondes initiales.

« La longue durée de vie de notre qubit électronique nous permet de contrôler et de lire les états du qubit unique avec une très grande fidélité », a dit de son côté Xinhao Li, un postdoctorant de l’Argonne et le co-auteur de l’article. Ce temps est bien supérieur aux exigences de l’informatique quantique.

Un autre attribut important d’un qubit est sa capacité à se lier avec de nombreux autres qubits. L’équipe a franchi une étape importante en montrant que deux qubits électroniques peuvent se coupler au même circuit supraconducteur, de sorte que l’information peut être transférée entre eux à travers le circuit. Cela marque une avancée cruciale vers l’intrication de deux qubits, un aspect essentiel de l’informatique quantique.

L’équipe n’a pas encore entièrement optimisé leur qubit électronique et continuera à travailler sur l’extension du temps de cohérence encore plus loin ainsi que sur l’intrication de deux qubits ou plus.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un qubit ?

Un qubit, ou bit quantique, est l’unité de base de l’information quantique. Contrairement aux bits classiques qui peuvent être soit 0 soit 1, les qubits peuvent exister dans les deux états simultanément grâce à un phénomène appelé superposition.

Qu’est-ce que le temps de cohérence ?

Le temps de cohérence est la durée pendant laquelle un qubit peut maintenir son état de superposition. Plus le temps de cohérence est long, plus le qubit peut effectuer d’opérations.

Qu’est-ce qu’un qubit de charge électronique ?

Un qubit de charge électronique est un type de qubit qui encode l’information quantique dans les états de mouvement (charge) de l’électron.

Pourquoi le néon est-il utilisé dans cette recherche ?

Le néon est utilisé car il résiste aux perturbations de l’environnement environnant. Il ne réagit pas avec d’autres éléments, ce qui permet de maintenir le qubit électronique protégé et garantit un long temps de cohérence.

Qu’est-ce que l’intrication quantique ?

L’intrication quantique est un phénomène dans lequel deux particules ou plus deviennent liées de telle manière que l’état de l’une affecte instantanément l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. C’est un aspect essentiel de l’informatique quantique.

Source : Laboratoire national d’Argonne du Département de l’énergie des États-Unis (DOE), Nature Physics

Le rendu artistique montre deux qubits avec un temps de cohérence long et un couplage fort. Credit: (Image by Dafei Jin/Argonne National Laboratory and the University of Notre Dame.)

Cette recherche a été publiée dans Nature Physics. Outre Jin, Han et Li, les contributeurs d’Argonne sont Xianjing Zhou et Qianfan Chen, tous deux postdocs. Parmi les autres auteurs figurent David I. Schuster, ancien professeur de physique à l’université de Chicago et aujourd’hui à l’université de Stanford, et Xufeng Zhang, ancien chercheur au CNM et aujourd’hui professeur à l’université de Northeastern. Les autres auteurs sont Gerwin Koolstra, Ge Yang, Brennan Dizdar, Yizhong Huang et Christopher S. Wang.