Des ingénieurs réalisent 4 méthodes de contrôle quantique dans un seul atome

Des ingénieurs australiens ont franchi une étape de plus vers la miniaturisation et la flexibilité des puces quantiques. Leur récente publication dans Nature Communications révèle une méthode innovante pour encoder l’information quantique, ouvrant la voie à des avancées majeures dans la conception de futurs ordinateurs quantiques.

Les ingénieurs en informatique quantique de l’UNSW Sydney ont démontré leur capacité à encoder l’information quantique – les données spéciales d’un ordinateur quantique – de quatre manières distinctes au sein d’un seul atome, intégré dans une puce de silicium.

Cette réalisation pourrait atténuer certains des défis liés à l’exploitation de dizaines de millions d’unités de calcul quantique sur seulement quelques millimètres carrés d’une puce d’ordinateur quantique en silicium.

Dans leur étude, les ingénieurs ont expliqué comment ils ont utilisé les seize états quantiques d’un atome d’antimoine pour encoder l’information quantique. L’antimoine, un atome lourd, peut être implanté dans une puce de silicium, remplaçant l’un des atomes de silicium existants. Il a été choisi parce que son noyau possède huit états quantiques distincts, en plus d’un électron avec deux états quantiques, résultant en un total de 16 états quantiques, tous au sein d’un seul atome.

Les méthodes d’encodage diversifiées

L’auteure principale, Irene Fernandez de Fuentes, indique que l’équipe, sous la direction du Scientia Professor Andrea Morello, s’est appuyée sur plus d’une décennie de travaux qui avaient établi différentes méthodes de contrôle quantique pour démontrer qu’elles étaient toutes possibles au sein du même atome. L’atome d’antimoine a été implanté dans la puce par des collègues de l’Université de Melbourne, en utilisant les installations des accélérateurs d’ions lourds de l’Université nationale australienne.

« Tout d’abord, nous avons montré que nous pouvions contrôler l’électron de l’antimoine avec un champ magnétique oscillant, similaire à la percée de 2012 qui était la première fois qu’un qubit avait été démontré dans le silicium », explique-t-elle.

Ensuite, l’équipe a démontré la possibilité d’utiliser un champ magnétique pour manipuler le spin du noyau de l’antimoine. Cette méthode est la résonance magnétique standard, utilisée par exemple dans les machines IRM des hôpitaux. La troisième méthode consistait à contrôler le noyau de l’atome d’antimoine avec un champ électrique, une découverte faite par accident en 2020.

« Et la quatrième manière était de contrôler à la fois le noyau de l’antimoine et l’électron en opposition l’un à l’autre, en utilisant un champ électrique avec ce qu’on appelle des qubits flip-flop, qui ont été démontrés par cette équipe l’année dernière. Cette dernière expérience montre que toutes ces quatre méthodes peuvent être utilisées dans la même puce de silicium en utilisant la même architecture. »

L’importance pour l’avenir de l’informatique quantique

Les ordinateurs quantiques du futur, avec leurs millions, voire milliards de qubits travaillant simultanément, promettent de révolutionner le calcul en accomplissant en quelques minutes des tâches qui prendraient des centaines ou des milliers d’années aux superordinateurs actuels. Tandis que des équipes comme Google et IBM progressent avec un grand nombre de qubits, leurs modèles nécessitent de vastes espaces pour fonctionner sans interférence.

Cependant, l’approche adoptée par le Professeur Morello et ses collègues de l’UNSW consiste à concevoir l’informatique quantique en utilisant la technologie déjà employée pour fabriquer des ordinateurs conventionnels. Bien que le nombre de qubits fonctionnels progresse plus lentement, l’utilisation du silicium pourrait permettre d’intégrer des millions de qubits dans un millimètre carré de puce.

« Nous investissons dans une technologie qui est plus difficile, plus lente, mais pour de très bonnes raisons, l’une d’entre elles étant l’extrême densité d’information qu’elle sera capable de gérer », ajoute le Professeur Morello.

« Il est certes impressionnant d’avoir 25 millions d’atomes dans un millimètre carré, mais il faut pouvoir les contrôler un par un. Avoir la flexibilité de le faire avec des champs magnétiques ou électriques, ou toute combinaison de ceux-ci, nous donnera de nombreuses options à explorer lors de l’augmentation de l’échelle du système. »

Retour au laboratoire

Le groupe prévoit maintenant d’utiliser l’espace computationnel étendu de l’atome d’antimoine pour effectuer des opérations quantiques bien plus sophistiquées que celles permises par de simples qubits. Ils envisagent d’encoder un « qubit logique » à l’intérieur de l’atome – un qubit construit sur plus de deux niveaux quantiques, pour obtenir suffisamment de redondance pour détecter et corriger les erreurs au fur et à mesure qu’elles se produisent.

« C’est la prochaine frontière pour le matériel informatique quantique pratique et utile », affirme le Professeur Morello. « Être capable de construire un qubit logique corrigé d’erreurs au sein d’un seul atome sera une opportunité formidable pour augmenter la taille du matériel quantique en silicium au point où il devient commercialement utile. »

En synthèse

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que l’information quantique ?

L’information quantique se réfère aux données traitées et manipulées par un ordinateur quantique. Contrairement à l’information classique qui utilise des bits, l’information quantique utilise des qubits, qui peuvent exister dans plusieurs états simultanément grâce à la superposition quantique.

Pourquoi utiliser un atome d’antimoine dans une puce de silicium ?

L’atome d’antimoine a été choisi pour ses huit états quantiques distincts dans le noyau, plus deux états quantiques pour son électron, permettant d’atteindre un total de 16 états quantiques dans un seul atome, offrant ainsi une densité d’information élevée.

Quels sont les avantages des méthodes d’encodage de l’information quantique ?

Chaque méthode d’encodage offre des avantages spécifiques en termes de vitesse et de précision. Par exemple, la résonance magnétique est plus rapide que la résonance électrique, mais peut affecter les atomes voisins, tandis que la résonance électrique peut être appliquée de manière très localisée.

Qu’est-ce qu’un qubit logique ?

Un qubit logique est une unité de calcul quantique qui est construite sur plus de deux niveaux quantiques. Cela permet d’obtenir une redondance suffisante pour détecter et corriger les erreurs automatiquement, ce qui est crucial pour la fiabilité des calculs quantiques.

Quelle est la prochaine étape pour l’équipe de l’UNSW Sydney ?

L’équipe prévoit d’utiliser la capacité de l’atome d’antimoine à effectuer des opérations quantiques complexes pour développer des qubits logiques capables de corriger les erreurs, un pas de plus vers la création d’ordinateurs quantiques pratiques et commercialement viables.

Références

Légende illustration : Représentation artistique des 16 états quantiques de l’atome d’antimoine et des différentes façons de passer de l’un à l’autre. Crédit : UNSW Sydney

Article : « Navigating the 16-dimensional Hilbert space of a high-spin donor qudit with electric and magnetic fields » – DOI: 10.1038/s41467-024-45368-y