Le rendu artistique montre deux qubits avec un temps de cohérence long et un couplage fort. Une équipe de recherche du Laboratoire national d’Argonne a réalisé des progrès significatifs dans l’informatique quantique en étendant le temps de cohérence d’un nouveau type de qubit à 0,1 milliseconde, une amélioration considérable par rapport aux références précédentes. Crédit : Dafei Jin/Argonne National Laboratory et Université de Notre Dame
Percée réalisée pour conserver les informations quantiques dans un bit quantique à un seul électron.
Argonne et ses partenaires ont franchi une étape majeure vers l’informatique quantique basé sur des qubits à électron unique : un temps de cohérence multiplié par près de mille et une première démonstration de mise à l’échelle.
Cohérence quantique et progrès informatiques
La cohérence constitue un pilier d’une communication efficace, que ce soit à l’écrit, à l’oral ou dans le traitement de l’information. Ce principe s’étend aux bits quantiques, ou qubits, les éléments constitutifs de l’informatique quantique. Un ordinateur quantique pourrait un jour relever des défis auparavant insurmontables en matière de prévision climatique, de conception de matériaux, de découverte de médicaments, etc.
Une équipe dirigée par le Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) a franchi une étape majeure vers le futur de l’informatique quantique. Ils ont étendu le temps de cohérence de leur nouveau type de qubit à un impressionnant 0,1 milliseconde, soit près de mille fois mieux que le record précédent.
« Plutôt que 10 à 100 opérations sur les temps de cohérence des qubits de charge électronique conventionnels, nos qubits peuvent en effectuer 10 000 avec une précision et une vitesse très élevées. »
— Dafei Jin, professeur à l’Université de Notre Dame avec une nomination conjointe au Centre des matériaux nanométriques d’Argonne.
Importance dans le domaine quantique
Dans la vie de tous les jours, 0,1 milliseconde est aussi éphémère qu’un clin d’œil. Cependant, dans le monde quantique, cela représente une fenêtre suffisamment longue pour qu’un qubit puisse effectuer plusieurs milliers d’opérations.
Contrairement aux bits classiques, les qubits peuvent apparemment exister dans les deux états, 0 et 1. Pour tout qubit fonctionnel, il est impératif de maintenir cet état mixte pendant un temps de cohérence suffisamment long. Le défi consiste à protéger le qubit contre le barrage constant de bruits perturbateurs provenant de l’environnement.
Les qubits de l’équipe codent des informations quantiques dans les états de mouvement (charge) de l’électron. C’est pour cette raison qu’on les appelle qubits de charge.
« Parmi les différents qubits existants, les qubits de charge électronique sont particulièrement attrayants en raison de leur simplicité de fabrication et de fonctionnement, ainsi que de leur compatibilité avec les infrastructures existantes pour les ordinateurs classiques », a déclaré Dafei Jin, professeur à l’Université de Notre Dame avec une nomination conjointe à Argonne et le chercheur principal du projet. « Cette simplicité devrait se traduire par un faible coût de construction et d’exploitation d’ordinateurs quantiques à grande échelle. »
Jin est un ancien scientifique du Center for Nanoscale Materials (CNM), un établissement utilisateur du DOE Office of Science à Argonne. C’est là qu’il a dirigé la découverte de leur nouveau type de qubit, signalé l’année dernière.
Innovations dans la conception des Qubits
Le qubit de l’équipe est un électron unique piégé dans le vide sur une surface de néon solide ultra propre. Le néon est important car il résiste aux perturbations du milieu environnant. Le néon fait partie des rares éléments qui ne réagissent pas avec les autres éléments. La plate-forme néon protège le qubit électronique et garantit intrinsèquement un long temps de cohérence.
« Grâce à la petite empreinte des électrons uniques sur le néon solide, les qubits fabriqués avec eux sont plus compacts et prometteurs pour une extension à plusieurs qubits liés », a déclaré Xu Han, chercheur adjoint au CNM avec une nomination conjointe à la Pritzker School of Molecular. Ingénierie au Université de Chicago. « Ces attributs, ainsi que le temps de cohérence, rendent notre qubit électronique exceptionnellement convaincant. »
Suite à une optimisation expérimentale continue, l’équipe a non seulement amélioré la qualité de la surface du néon, mais a également réduit considérablement les signaux perturbateurs. Comme indiqué dans Physique naturelle, leur travail a été récompensé avec un temps de cohérence de 0,1 milliseconde. Cela représente environ mille fois plus que les 0,1 microsecondes initiales.
« La longue durée de vie de notre qubit électronique nous permet de contrôler et de lire les états d’un qubit unique avec une très haute fidélité », a déclaré Xinhao Li, stagiaire postdoctoral à Argonne et co-premier auteur de l’article. Ce temps est bien supérieur aux exigences de l’informatique quantique.
« Plutôt que 10 à 100 opérations sur les temps de cohérence des qubits de charge électronique conventionnels, nos qubits peuvent en effectuer 10 000 avec une précision et une vitesse très élevées », a déclaré Jin.
Perspectives et réalisations futures
Un autre attribut important d’un qubit est sa capacité à être relié à de nombreux autres qubits. L’équipe a franchi une étape importante en montrant que les qubits à deux électrons peuvent se coupler au même circuit supraconducteur de telle sorte que les informations peuvent être transférées entre eux via le circuit. Cela marque une avancée majeure vers l’intrication à deux qubits, un aspect essentiel de l’informatique quantique.
L’équipe n’a pas encore complètement optimisé son qubit électronique et continuera à travailler sur l’allongement encore plus du temps de cohérence ainsi que sur l’intrication de deux ou plusieurs qubits.
Cette recherche a été publiée dans Physique naturelle.
Le travail a été financé par le Bureau des sciences énergétiques fondamentales du DOE ; un prix de recherche et développement dirigé en laboratoire d’Argonne ; et Q-NEXT, un centre national de recherche sur les sciences de l’information quantique du DOE Energy dont le siège est à Argonne. Un financement supplémentaire provient de la Fondation Julian Schwinger pour la recherche en physique et de la National Science Foundation.
Outre Jin, Han et Li, les contributeurs d’Argonne incluent les postdoctorants Xianjing Zhou (co-premier auteur) et Qianfan Chen. Parmi les autres contributeurs figurent l’auteur co-correspondant David I. Schuster, ancien professeur de physique à l’Université de Chicago, aujourd’hui à l’Université de Stanford, et Xufeng Zhang, ancien scientifique du CNM et maintenant professeur à la Northeastern University. Sont également répertoriés comme auteurs Gerwin Koolstra, Ge Yang, Brennan Dizdar, Yizhong Huang et Christopher S. Wang.
Les institutions collaboratrices comprennent le Lawrence Berkeley National Laboratory, le Massachusetts Institute of Technology, la Northeastern University, l’Université Stanford, l’Université de Chicago et l’Université de Notre Dame.
