Représentation artistique de la voie de formation de complexes de lacunes pour les qubits basés sur le spin dans le réseau hôte en carbure de silicium et, à droite, le paysage énergétique associé. Crédit : Université de Chicago
Des scientifiques apprivoisent les bits quantiques dans un matériau semi-conducteur largement utilisé
Les ordinateurs quantiques, exploitant les propriétés uniques des qubits, surpassent les systèmes classiques en existant simultanément dans plusieurs états. Des recherches ciblées sur le carbure de silicium visent à optimiser les qubits pour des applications évolutives, avec des études révélant de nouvelles méthodes pour contrôler et améliorer leurs performances. Cela pourrait conduire à des avancées à grande échelle l'informatique quantique et technologies de capteurs.
Fondements de l'informatique quantique
Alors que les ordinateurs conventionnels utilisent des bits classiques pour les calculs, les ordinateurs quantiques utilisent plutôt des bits quantiques, ou qubits. Alors que les bits classiques peuvent avoir les valeurs 0 ou 1, les qubits peuvent exister dans un mélange de probabilités des deux valeurs en même temps. Cela rend l’informatique quantique extrêmement puissante pour résoudre les problèmes que les ordinateurs conventionnels ne parviennent pas à résoudre. Pour construire des ordinateurs quantiques à grande échelle, les chercheurs doivent comprendre comment créer et contrôler des matériaux adaptés à la fabrication à l’échelle industrielle.
Les semi-conducteurs sont des matériaux qubits très prometteurs. Les semi-conducteurs constituent déjà les puces informatiques des téléphones portables, des ordinateurs, des équipements médicaux et d'autres applications. Certains types de défauts à l’échelle atomique, appelés lacunes, dans le carbure de silicium semi-conducteur (SiC) s’avèrent prometteurs sous forme de qubits. Cependant, les scientifiques ont une compréhension limitée de la manière de générer et de contrôler ces défauts. En utilisant une combinaison de simulations au niveau atomique, les chercheurs ont pu suivre la formation et le comportement de ces postes vacants.
Avancées dans les matériaux quantiques
L'informatique quantique pourrait révolutionner notre capacité à répondre à des questions difficiles. Les ordinateurs quantiques à petite échelle existants ont donné un aperçu de la puissance de cette technologie. Pour construire et déployer des ordinateurs quantiques à grande échelle, les chercheurs doivent savoir comment contrôler des qubits constitués de matériaux présentant un sens technique et économique pour l’industrie.
La recherche a identifié la stabilité et les voies moléculaires permettant de créer les postes vacants souhaités pour les qubits et de déterminer leurs propriétés électroniques.
Ces avancées faciliteront la conception et la fabrication de qubits basés sur le spin avec une précision atomique dans des matériaux semi-conducteurs, accélérant ainsi le développement d'ordinateurs quantiques et de capteurs quantiques à grande échelle de nouvelle génération.
Défis du développement de l’informatique quantique
La prochaine révolution technologique dans le domaine de la science de l’information quantique nécessitera que les chercheurs déploient des ordinateurs quantiques à grande échelle, idéalement capables de fonctionner à température ambiante. La réalisation et le contrôle de qubits dans des matériaux industriellement pertinents sont essentiels pour atteindre cet objectif.
Dans les travaux rapportés ici, les chercheurs ont étudié des qubits construits à partir de lacunes dans le carbure de silicium (SiC) en utilisant diverses méthodes théoriques. Jusqu’à présent, les chercheurs savaient peu de choses sur la manière de contrôler et de concevoir le processus de formation sélective des postes vacants. Les énergies barrières impliquées dans la migration et la combinaison des postes vacants posent les défis les plus difficiles pour la théorie et les simulations.
Percées dans la recherche en informatique quantique
Dans cette étude, une combinaison de simulations de matériaux de pointe et de techniques d'échantillonnage basées sur des réseaux neuronaux a conduit des chercheurs du Midwest Center for Computational Materials (MICCoM) du ministère de l'Énergie (DOE) à découvrir le mécanisme de génération atomistique des qubits. des défauts de spin dans un semi-conducteur à large bande interdite.
L’équipe a montré le mécanisme de génération de qubits dans le SiC, un semi-conducteur prometteur doté de longs temps de cohérence des qubits et de capacités d’initialisation et de lecture de spin entièrement optiques.
MICCoM est l'un des centres de sciences informatiques des matériaux du DOE à travers le pays qui développe des outils logiciels avancés et open source pour aider la communauté scientifique à modéliser, simuler et prédire les propriétés et le comportement fondamentaux des matériaux fonctionnels. Les chercheurs impliqués dans cette étude sont du Laboratoire National d'Argonne et du Université de Chicago.
Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du Département de l'énergie (DOE), Bureau des sciences énergétiques fondamentales, Division des sciences et de l'ingénierie des matériaux et fait partie du programme de sciences informatiques des matériaux en sciences fondamentales de l'énergie en physique théorique de la matière condensée. Les simulations exigeantes en termes de calcul ont utilisé plusieurs ressources informatiques hautes performances : Bebop dans le centre de ressources informatiques du laboratoire national d'Argonne ; l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE ; et le Research Computing Center de l'Université de Chicago. L'équipe a obtenu l'accès aux ressources informatiques de l'ALCF grâce au programme INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment) du DOE. Un soutien supplémentaire a été fourni par le NIH.
