Des chercheurs de l’Université de Manchester et de l’Université de Melbourne ont développé un silicium ultra-pur essentiel à la création d’ordinateurs quantiques évolutifs, susceptibles de relever des défis mondiaux tels que le changement climatique et les problèmes de santé.
Une avancée majeure dans l'informatique quantique a été réalisé avec le développement du silicium ultra-pur, ouvrant la voie à la création d’ordinateurs quantiques puissants et évolutifs.
Il y a plus de 100 ans, des scientifiques de l’Université de Manchester ont changé le monde en découvrant le noyau des atomes, marquant ainsi la naissance de la physique nucléaire.
Avance rapide jusqu’à aujourd’hui, et l’histoire se répète, cette fois dans l’informatique quantique.
S'appuyant sur la même méthode pionnière forgée par Ernest Rutherford – « le fondateur de la physique nucléaire » – les scientifiques de l'Université, en collaboration avec l'Université de Melbourne en Australie, ont produit une forme améliorée et ultra-pure de silicium qui permet la construction de hautes performances. -dispositifs qubit performants – un composant fondamental nécessaire pour ouvrir la voie à des ordinateurs quantiques évolutifs.
La découverte, publiée dans la revue Supports de communicationpourrait définir et faire avancer l’avenir de l’informatique quantique.
Avancées de l'informatique quantique
Richard Curry, professeur de matériaux électroniques avancés à l'Université de Manchester, a déclaré :
« 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 pour rendre réalisable une technologie susceptible de transformer l’humanité ; une technologie qui pourrait nous donner la capacité de traiter les données à une telle échelle que nous serons en mesure de trouver des solutions à des problèmes complexes tels que la lutte contre l’impact du changement climatique et les défis en matière de soins de santé.
Professeur Rich Curry (à droite) et Dr Mason Adshead (à gauche). Crédit : Université de Manchester
« Il est tout à fait approprié que cette réalisation s'aligne sur le 200e anniversaire de notre université, où Manchester a été à l'avant-garde de l'innovation scientifique tout au long de cette période, y compris le projet de Rutherford de « diviser le monde ». atome » découverte en 1917, puis en 1948 avec » The Baby » – la toute première démonstration réelle de l'informatique électronique à programme stocké, avec maintenant cette étape vers l'informatique quantique. «
Surmonter les défis quantiques
L’un des plus grands défis liés au développement des ordinateurs quantiques réside dans le fait que les qubits – les éléments constitutifs de l’informatique quantique – sont très sensibles et nécessitent un environnement stable pour conserver les informations qu’ils contiennent. Même de minuscules changements dans leur environnement, y compris des fluctuations de température, peuvent provoquer des erreurs informatiques.
Un autre problème est leur taille, à la fois leur taille physique et leur puissance de traitement. Dix qubits ont la même puissance de traitement que 1 024 bits dans un ordinateur normal et peuvent potentiellement occuper un volume beaucoup plus petit. Les scientifiques pensent qu’un ordinateur quantique pleinement performant a besoin d’environ un million de qubits, ce qui offre une capacité impossible à réaliser par n’importe quel ordinateur classique.
Professeur Rich Curry. Crédit : Université de Manchester
Le rôle du silicium dans l'informatique quantique
Le silicium est le matériau de base de l'informatique classique en raison de ses propriétés semi-conductrices et les chercheurs pensent qu'il pourrait être la réponse aux ordinateurs quantiques évolutifs. Les scientifiques ont passé les 60 dernières années à apprendre à concevoir le silicium pour qu’il fonctionne au mieux de ses capacités, mais dans l’informatique quantique, cela comporte ses défis.
Le silicium naturel est composé de trois atomes de masses différentes (appelés isotopes) : le silicium 28, 29 et 30. Cependant, le Si-29, qui représente environ 5 % du silicium, provoque un effet de « bascule nucléaire » provoquant la perte du qubit. perdre des informations.
Dans le cadre d'une avancée majeure réalisée à l'Université de Manchester, des scientifiques ont trouvé un moyen de concevoir du silicium pour éliminer les 29 et 30 atomes de silicium, ce qui en fait le matériau idéal pour fabriquer des ordinateurs quantiques à grande échelle et avec des performances élevées. précision.
Le résultat – le silicium le plus pur au monde – ouvre la voie à la création d'un million de qubits, qui peuvent être fabriqués à la taille d'une tête d'épingle.
Ravi Acharya, un doctorant qui a réalisé des travaux expérimentaux dans le cadre du projet, a expliqué : « Le grand avantage de l'informatique quantique sur silicium est que les mêmes techniques que celles utilisées pour fabriquer les puces électroniques — actuellement dans un ordinateur quotidien composé de milliards de transistors — peut être utilisé 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.
Cette nouvelle capacité offre une feuille de route vers des dispositifs quantiques évolutifs dotés de performances et de capacités inégalées et promet de transformer les technologies d’une manière difficile à imaginer.
Le co-superviseur du projet, le professeur David Jamieson, de l'Université de Melbourne, a déclaré : « Notre technique ouvre la voie à des ordinateurs quantiques fiables qui promettent des changements progressifs dans la société, notamment dans les domaines de l'intelligence artificielle, des données et des communications sécurisées, de la conception de vaccins et de médicaments, et consommation d'énergie, logistique et fabrication.
« 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. »
Comprendre l'informatique quantique
Tous les ordinateurs fonctionnent avec des électrons. En plus d'avoir une charge négative, les électrons ont une autre propriété appelée « spin », qui est souvent comparée à une toupie.
Le spin combiné des électrons à l’intérieur de la mémoire d’un ordinateur peut créer un champ magnétique. La direction de ce champ magnétique peut être utilisée pour créer un code dans lequel une direction est appelée « 0 » et l’autre direction est appelée « 1 ». Cela nous permet alors d’utiliser un système numérique qui utilise uniquement 0 et 1 pour donner des instructions à l’ordinateur. Chaque 0 ou 1 est appelé un bit.
Dans un ordinateur quantique, plutôt que l'effet combiné du spin de plusieurs millions d'électrons, nous pouvons utiliser le spin d'électrons uniques, passant du monde « classique » au monde « quantique » ; de l'utilisation de « bits » à « qubits ».
Alors que les ordinateurs classiques effectuent des calculs après les autres, les ordinateurs quantiques peuvent effectuer tous les calculs en même temps, ce qui leur permet de traiter de grandes quantités d'informations et d'effectuer des calculs très complexes à une vitesse inégalée.
Même s'ils en sont encore aux premiers stades de l'informatique quantique, une fois pleinement développés, les ordinateurs quantiques seront utilisés pour résoudre des problèmes complexes du monde réel, tels que la conception de médicaments, et fournir des prévisions météorologiques plus précises – des calculs trop difficiles pour les superordinateurs d'aujourd'hui.
Ce travail a été soutenu par le Conseil britannique de recherche en ingénierie et en sciences physiques (EPSRC), en particulier par le programme de subvention « Nanoscale Advanced Materials Engineering » dirigé par le professeur Curry. La collaboration du professeur Jamieson avec l'Université de Manchester est soutenue par une bourse de visite Wolfson de la Royal Society et par l'Australian Research Council. Ravi Acharya est un doctorant conjoint de l’Université de Manchester et de l’Université de Melbourne soutenu par une bourse Cookson.
