Une collaboration entre les universités de Melbourne et de Manchester a abouti à une méthode révolutionnaire de production de silicium ultra-pur, améliorant ainsi le potentiel d'ordinateurs quantiques évolutifs et précis. Cette technique étend la cohérence quantique, réduisant considérablement les erreurs de calcul et permettant des calculs complexes qui dépassent les ordinateurs traditionnels.
Des chercheurs des universités de Melbourne et de Manchester ont inventé une technique révolutionnaire pour fabriquer du silicium hautement purifié qui rapproche les puissants ordinateurs quantiques d’un grand pas en avant.
La nouvelle technique de conception du silicium ultra-pur en fait le matériau idéal pour fabriquer des ordinateurs quantiques à grande échelle et avec des performances élevées. précisiondisent les chercheurs.
Améliorer la cohérence quantique
Le professeur David Jamieson, co-superviseur du projet, de l'Université de Melbourne, a déclaré que l'innovation – publiée aujourd'hui (7 mai 2024) dans Matière de communicationialsun Nature journal – utilise des qubits d’atomes de phosphore implantés dans des cristaux de silicium pur et stable et pourrait surmonter une barrière critique pour l'informatique quantique en prolongeant la durée des biens notoirement fragiles cohérence quantique.
« Une cohérence quantique fragile signifie que les erreurs de calcul s’accumulent rapidement. Grâce à la cohérence robuste fournie par notre nouvelle technique, les ordinateurs quantiques pourraient résoudre en quelques heures ou minutes certains problèmes qui prendraient des siècles aux ordinateurs conventionnels ou « classiques », voire aux superordinateurs », a déclaré le professeur Jamieson.
Un qubit – comme un noyau atomique, un électron ou photon – est un objet quantique lorsqu’il se trouve dans une superposition quantique de plusieurs états. La cohérence est perdue lorsque le qubit revient à un état unique et devient un objet classique comme un bit informatique conventionnel, qui est toujours un ou zéro et jamais en superposition.
Bits quantiques ou qubits – les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques – sont sensibles à de minuscules changements dans leur environnement, y compris des fluctuations de température. Même lorsqu'il est utilisé dans des réfrigérateurs tranquilles à proximité zéro absolu (moins 273 degrés Celsius), les ordinateurs quantiques actuels peuvent maintenir une cohérence sans erreur pendant seulement une infime fraction de seconde.
Le professeur Richard Curry, co-superviseur de l'Université de Manchester, a déclaré que le silicium ultra-pur permettait la construction de dispositifs qubit hautes performances – un composant essentiel nécessaire pour ouvrir la voie à des ordinateurs quantiques évolutifs.
« Ce que nous avons réussi à faire, c'est de créer efficacement une « brique » essentielle à la construction d'un ordinateur quantique à base de silicium. Il s'agit d'une étape cruciale vers la création d'une technologie susceptible de transformer l'humanité », a déclaré le professeur Curry.
L'auteur principal et étudiant en doctorat conjoint à l'Université de Melbourne et à l'Université de Manchester, Ravi Acharya, prépare une puce de silicium pour l'enrichissement dans le laboratoire de faisceaux d'ions focalisés P-NAME de l'Université de Manchester. Crédit : Université de Melbourne/Université de Manchester
Le rôle du silicium dans la technologie quantique
L'auteur principal, Ravi Acharya, chercheur Cookson à l'Université de Manchester et à l'Université de Melbourne, a déclaré que le grand avantage de l'informatique quantique sur puce de silicium était qu'il utilisait les mêmes techniques essentielles qui fabriquent les puces utilisées dans les ordinateurs d'aujourd'hui.
« Les puces électroniques actuellement présentes dans un ordinateur quotidien sont constituées de milliards de transistors — ceux-ci peuvent également être utilisés pour créer des qubits pour les dispositifs quantiques à base de silicium. La capacité de créer des qubits de silicium de haute qualité a été en partie limitée jusqu’à présent par la pureté du matériau de départ en silicium utilisé. La pureté révolutionnaire que nous montrons ici résout ce problème.
Le professeur Jamieson a déclaré que les nouvelles puces informatiques en silicium hautement purifié hébergent et protègent les qubits afin qu'ils puissent maintenir la cohérence quantique beaucoup plus longtemps, permettant ainsi des calculs complexes avec un besoin considérablement réduit de correction d'erreurs.
« Notre technique ouvre la voie à des ordinateurs quantiques fiables qui promettent des changements radicaux dans la société, notamment dans les domaines de l'intelligence artificielle, de la sécurité des données et des communications, de la conception de vaccins et de médicaments, ainsi que de la consommation d'énergie, de la logistique et de la fabrication », a-t-il déclaré.
Le silicium – fabriqué à partir du sable de plage – est aujourd'hui le matériau clé de l'industrie des technologies de l'information, car il s'agit d'un matériau abondant et polyvalent. semi-conducteur: il peut agir comme conducteur ou isolant du courant électrique, selon les autres éléments chimiques qui lui sont ajoutés.
« D'autres expérimentent des alternatives, mais nous pensons que le silicium est le principal candidat pour les puces informatiques quantiques qui permettront la cohérence durable requise pour des calculs quantiques fiables », a déclaré le professeur Jamieson.
Les co-auteurs (à gauche) le professeur David Jamieson (Université de Melbourne) et (à droite) le Dr Maddison Coke (Université de Manchester) inspectent le système de faisceau d'ions focalisé P-NAME de l'Université de Manchester utilisé pour le projet d'enrichissement du silicium. Crédit : Université de Melbourne / Université de Manchester
Purifier le silicium pour l’informatique quantique
« Le problème est que même si le silicium naturel est principalement constitué de l'isotope souhaitable du silicium-28, il contient également environ 4,5 % de silicium-29. Le silicium-29 contient un neutron supplémentaire dans chacun atomeIl s'agit d'un noyau qui agit comme un minuscule aimant voyou, détruisant la cohérence quantique et créant des erreurs informatiques », a-t-il déclaré.
Les chercheurs ont dirigé un faisceau focalisé à grande vitesse de silicium-28 pur sur une puce de silicium afin que le silicium-28 remplace progressivement les atomes de silicium-29 dans la puce, réduisant ainsi le silicium-29 de 4,5 pour cent à deux parties par million (0,0002 pour cent). ).
« La bonne nouvelle est que pour purifier le silicium à ce niveau, nous pouvons désormais utiliser une machine standard – un implanteur d'ions – que l'on trouverait dans n'importe quel laboratoire de fabrication de semi-conducteurs, adaptée à une configuration spécifique que nous avons conçue », a déclaré le professeur Jamieson.
Perspectives futures et impact
Dans une recherche publiée précédemment avec le Centre d’excellence ARC pour le calcul quantique et les technologies de communication, l’Université de Melbourne a établi – et détient toujours – le record mondial de cohérence d’un seul qubit de 30 secondes en utilisant du silicium moins purifié. 30 secondes suffisent amplement pour effectuer des calculs quantiques complexes et sans erreur.
Le professeur Jamieson a déclaré que les plus grands ordinateurs quantiques existants possédaient plus de 1 000 qubits, mais que des erreurs se produisaient en quelques millisecondes en raison d'une perte de cohérence.
« Maintenant que nous pouvons produire du silicium 28 extrêmement pur, notre prochaine étape consistera à démontrer que nous pouvons maintenir la cohérence quantique pour de nombreux qubits simultanément. Un ordinateur quantique fiable avec seulement 30 qubits dépasserait la puissance des supercalculateurs actuels pour certaines applications », a-t-il déclaré.
Ce dernier travail a été soutenu par des subventions de recherche des gouvernements australien et britannique. La collaboration du professeur Jamieson avec l'Université de Manchester est soutenue par une bourse de visite Wolfson de la Royal Society.
Un rapport de 2020 du CSIRO australien estime que l'informatique quantique en Australie a le potentiel de créer 10 000 emplois et 2,5 milliards de dollars de revenus annuels d'ici 2040.
« Nos recherches nous rapprochent beaucoup plus de la réalisation de ce potentiel », a déclaré le professeur Jamieson.
