Les chercheurs de QuTech ont récemment développé des qubits à spin acrobatique pour la logique quantique universelle, une réalisation qui pourrait permettre un contrôle efficace de vastes réseaux de qubits semi-conducteurs. Cette avancée a été publiée dans Nature Communications et Science, marquant une étape significative dans le domaine de l’informatique quantique.
En 1998, Loss et DiVincenzo avaient proposé l’utilisation du saut de spins comme base pour la logique des qubits dans leur travail fondateur «Quantum computation with quantum dots». Cependant, une mise en œuvre expérimentale de cette théorie avait longtemps fait défaut. Plus de vingt ans plus tard, les expériences ont rattrapé la théorie. Les chercheurs de QuTech, une collaboration entre la TU Delft et TNO, ont démontré que les « portes de saut » initiales sont effectivement réalisables avec des performances de pointe.
Simplifier le contrôle des qubits
Les qubits basés sur des points quantiques sont étudiés dans le monde entier car ils sont considérés comme une plateforme attrayante pour la construction d’un ordinateur quantique. La méthode la plus courante consiste à piéger un seul électron et à appliquer un champ magnétique suffisamment grand, permettant d’utiliser le spin de l’électron comme qubit et de le contrôler par des signaux micro-ondes.
Dans cette étude, les chercheurs montrent qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser des signaux micro-ondes. À la place, des signaux de bande de base et de petits champs magnétiques suffisent pour obtenir un contrôle universel des qubits. Cela présente un avantage significatif en simplifiant considérablement l’électronique de contrôle nécessaire pour faire fonctionner les futurs processeurs quantiques.
Des qubits sautillants aux qubits acrobatiques
Le contrôle du spin nécessite de sauter d’un point à un autre et un mécanisme physique capable de le faire tourner. Initialement, la proposition de Loss et DiVincenzo utilisait un type spécifique d’aimant, difficile à réaliser expérimentalement. À la place, le groupe de QuTech a innové en utilisant le germanium. Ce semi-conducteur permet déjà par lui-même des rotations de spin, comme le montre le travail publié dans Nature Communications par Floor van Riggelen-Doelman et Corentin Déprez. Ils ont observé les premières indications de rotations de spin.
En comparant les qubits sautillants et acrobatiques, on peut imaginer les réseaux de points quantiques comme un parc de trampolines, où les spins des électrons sont comme des personnes qui sautent. Typiquement, chaque personne a un trampoline dédié, mais elles peuvent sauter vers des trampolines voisins si disponibles. Le germanium possède une propriété unique : en sautant d’un trampoline à l’autre, une personne ressent un couple qui la fait faire des acrobaties. Cette propriété permet aux chercheurs de contrôler les qubits de manière efficace.
Les qubits acrobatiques dans un parc de trampolines
Après avoir établi le contrôle de deux spins dans un système de quatre points quantiques, l’équipe a poussé l’expérience plus loin. Au lieu de faire sauter les spins entre deux points quantiques, ils ont également étudié le saut à travers plusieurs points quantiques. Cela correspondrait à une personne qui saute et fait des acrobaties sur de nombreux trampolines. Le co-auteur Valentin John explique : «Pour l’informatique quantique, il est nécessaire d’opérer et de coupler un grand nombre de qubits avec une haute précision».
Différents trampolines font ressentir des couples différents aux personnes qui sautent, et de même, le saut de spins entre points quantiques entraîne des rotations uniques. Il est donc crucial de caractériser et comprendre cette variabilité. Le co-auteur Francesco Borsoi ajoute : «Nous avons établi des routines de contrôle qui permettent de faire sauter les spins vers n’importe quel point quantique dans un réseau de 10 points quantiques, ce qui nous permet de sonder les métriques clés des qubits dans des systèmes étendus».
«Je suis fier de voir tout le travail d’équipe. En l’espace d’un an, l’observation des rotations de qubits dues aux sauts est devenue un outil utilisé par tout le groupe. Nous croyons qu’il est crucial de développer des schémas de contrôle efficaces pour l’opération des futurs ordinateurs quantiques et cette nouvelle approche est prometteuse» résume pour sa part le principal investigateur Menno Veldhorst.
Légende illustration : Les qubits de spin font du trampoline pour créer des portes quantiques et se coupler à d’autres qubits de spin sur la puce. Crédit : Studio Oostrum for QuTech.
Article : « Operating semiconductor quantum processors with hopping spins » – 10.1126/science.ado5915
