L’origine du bruit quantique dans les qubits de spin enfin identifiée

Une équipe de l’Université des sciences de Tokyo et de l’AIST a identifié les transitions électroniques à l’interface semi-conducteur-oxyde comme source principale du bruit perturbant les qubits de spin. Publiés en mai 2026, ces travaux ouvrent une piste concrète pour fiabiliser les futurs processeurs quantiques.

Des chercheurs japonais viennent de mettre au jour l’origine précise du bruit qui parasite les processeurs quantiques à spin qubit. Leurs travaux, qui conjuguent modélisation théorique et simulations statistiques à grande échelle, désignent un coupable longtemps soupçonné mais jamais formellement identifié : les transitions électroniques à l’interface entre le semi-conducteur et l’oxyde.

Un verdict obtenu par simulation massive

L’équipe dirigée par le professeur Takayuki Kawahara, de l’Université des sciences de Tokyo, en collaboration avec l’Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST), a passé au crible 108 ensembles de paramètres distincts. Chacun contenait 5 000 configurations de fluctuateurs à deux niveaux, des défauts microscopiques situés près de l’interface oxyde des dispositifs à points quantiques silicium/silicium-germanium. La méthode a permis d’identifier les conditions reproduisant avec le plus de fidélité les observations expérimentales.

Résultat : les mouvements structurels lents à l’échelle atomique, jusque-là suspectés, sont écartés. Le véritable perturbateur se niche dans les transitions électroniques entre les électrons de la bande de conduction et les états pièges à l’interface semi-conducteur-oxyde. Ce sont elles qui font dériver la fréquence de résonance des qubits avec le temps, dégradant la précision des opérations logiques.

Un paradoxe thermique enfin expliqué

Les qubits de spin, qui encodent l’information quantique dans les états de spin des électrons, présentent des atouts de taille : longs temps de cohérence et compatibilité avec les procédés de fabrication des semi-conducteurs classiques. Ils figurent parmi les plateformes les plus abouties pour le calcul quantique à grande échelle. Mais les fluctuations de la fréquence de Larmor, causées par ce bruit microscopique, restent un obstacle à un fonctionnement tolérant aux fautes.

L’étude, publiée dans IEEE Access le 4 mai 2026, éclaire un phénomène qui intriguait la communauté depuis plusieurs années. Des expériences antérieures avaient montré qu’opérer les qubits à 200 millikelvins, au lieu du standard de 20 millikelvins, améliorait la fidélité des portes logiques. Une observation contre-intuitive, puisque l’on s’attend généralement à ce que la montée en température accroisse le bruit. Les simulations de l’équipe Kawahara ont réussi à reproduire la dépendance non monotone à la température. L’explication : le gain survient lorsque les temps de transition des fluctuateurs à deux niveaux deviennent nettement inférieurs aux temps d’opération des portes, configuration dans laquelle leur sensibilité à la température joue un rôle favorable.

Vers des interfaces plus propres

« Nos résultats soulignent l’importance du contrôle des états de pièges à l’interface semi-conducteur/oxyde et de l’adoption de procédés de fabrication qui stabilisent les fréquences des qubits », a déclaré le professeur Kawahara. Avant d’ajouter que cela pourrait « contribuer au développement d’ordinateurs quantiques pratiques à grande échelle avec un bruit réduit ».

Concrètement, la voie est tracée : concevoir des interfaces semi-conducteur-oxyde plus propres lors de la fabrication. En réduisant le nombre de défauts à la frontière critique entre les deux matériaux, les ingénieurs pourraient directement atténuer le bruit de charge, stabiliser les fréquences des qubits et rapprocher l’informatique quantique d’une correction d’erreurs opérationnelle.

Les travaux de l’équipe nippone offrent ainsi une cible claire aux efforts d’ingénierie des matériaux. Plutôt que de chercher à compenser le bruit par des algorithmes toujours plus sophistiqués, ils invitent à s’attaquer à sa source physique, au niveau atomique de l’interface.

Article : « On the Improvement of Gate Fidelity in Spin Qubits with Two-Level Fluctuators at Higher Temperatures » – DOI : 11505846

Source : Tokyo U.