Les chercheurs progressent dans l'informatique quantique en développant des qubits basés sur le spin des électrons et des trous. Des avancées récentes réalisées à l'Université de Bâle ont montré des interactions contrôlées entre les qubits à l'aide du spin des trous. Ces avancées laissent présager un avenir prometteur pour les ordinateurs quantiques évolutifs et efficaces utilisant la technologie du silicium existante.
Les progrès de la technologie des qubits à l'Université de Bâle sont prometteurs pour une évolutivité l'informatique quantiqueen utilisant les spins des électrons et des trous pour obtenir un contrôle et des interactions précis des qubits.
La recherche d’un ordinateur quantique pratique bat son plein, avec des chercheurs du monde entier explorant un large éventail de technologies qubits. Malgré des efforts considérables, il n’existe toujours pas de consensus sur le type de qubit qui maximise le mieux le potentiel de la science de l’information quantique.
Les qubits sont la base d'un ordinateur quantique. Ils sont responsables du traitement, du transfert et du stockage des données. Les qubits efficaces doivent stocker de manière fiable et traiter rapidement les informations. Cela nécessite des interactions stables et rapides entre un grand nombre de qubits que des systèmes externes peuvent contrôler avec précision.
Les ordinateurs quantiques les plus avancés d’aujourd’hui ne possèdent que quelques centaines de qubits. Cela les limite à effectuer des calculs dont les ordinateurs conventionnels sont déjà capables et qu’ils peuvent souvent effectuer plus efficacement. Pour que l’informatique quantique progresse, les chercheurs doivent trouver un moyen d’héberger des millions de qubits sur une seule puce.
Électrons et trous
Pour résoudre le problème de l’agencement et de la liaison de milliers de qubits, des chercheurs de l’Université de Bâle et du PRN SPIN s’appuient sur un type de qubit qui utilise le spin (moment cinétique intrinsèque) d’un électron ou d’un trou. Un trou est essentiellement un électron manquant dans un semi-conducteur. Les trous et les électrons possèdent un spin, qui peut adopter l'un des deux états suivants : haut ou bas, analogue à 0 et 1 dans les bits classiques. Par rapport au spin électronique, le spin à trous présente l’avantage de pouvoir être entièrement contrôlé électriquement sans nécessiter de composants supplémentaires tels que des micro-aimants sur la puce.
Deux qubits de rotation de trous en interaction. Lorsqu'un trou (magenta/jaune) passe d'un site à l'autre, son spin (flèche) tourne en raison de ce que l'on appelle le couplage spin-orbite, conduisant à des interactions anisotropes représentées par les bulles environnantes. Crédit : PRN SPIN
En 2022, des physiciens bâlois ont démontré que les rotations des trous dans un appareil électronique existant pouvaient être piégées et utilisées comme qubits. Ces « FinFET » (transistors à effet de champ fin) sont intégrés aux smartphones modernes et sont produits dans le cadre de processus industriels largement répandus. Aujourd'hui, une équipe dirigée par le Dr Andreas Kuhlmann a réussi pour la première fois à réaliser une interaction contrôlable entre deux qubits au sein de cette configuration.
Spin-Flip contrôlé rapide et précis
Un ordinateur quantique a besoin de « portes quantiques » pour effectuer des calculs. Celles-ci représentent des opérations qui manipulent les qubits et les couplent les uns aux autres. Comme le rapportent les chercheurs dans la revue Physique naturelle, ils ont pu coupler deux qubits et provoquer un retournement contrôlé de l'un de leurs spins, en fonction de l'état du spin de l'autre – connu sous le nom de retournement de spin contrôlé. « Les rotations de trous nous permettent de créer des portes à deux qubits à la fois rapides et haute fidélité. Ce principe permet désormais également de coupler un plus grand nombre de paires de qubits », explique Kuhlmann.
Le couplage de deux qubits de spin est basé sur leur interaction d'échange, qui se produit entre deux particules indiscernables qui interagissent électrostatiquement l'une avec l'autre. Étonnamment, l’énergie d’échange des trous est non seulement contrôlable électriquement mais également fortement anisotrope. C'est une conséquence du couplage spin-orbite, ce qui signifie que l'état de spin d'un trou est influencé par son mouvement dans l'espace.
Pour décrire cette observation dans un modèle, des physiciens expérimentaux et théoriciens de l'Université de Bâle et du PRN SPIN ont combiné leurs forces. « L'anisotropie rend possible les portes à deux qubits sans le compromis habituel entre vitesse et fidélité », explique Kuhlmann. « Les qubits basés sur les spins de trous exploitent non seulement la fabrication éprouvée de puces de silicium, mais ils sont également hautement évolutifs et se sont révélés rapides et robustes lors d'expériences. » L’étude souligne que cette approche a de fortes chances dans la course au développement d’un ordinateur quantique à grande échelle.
