Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de révolutionner les possibilités de résolution de problèmes de calcul difficiles qui prendraient des ordinateurs classiques de nombreuses années à résoudre. Mais pour que ces ordinateurs puissent répondre à leur potentiel, ils ont besoin de bits quantiques ou de qubits. La chasse à un meilleur qubit est un projet majeur de chercheurs du monde entier, qui essaient différents matériaux et méthodes dans leur recherche.
Dans une étude publiée dans Progrès dans l'électronique quantiquedes chercheurs du FAMU-FSU College of Engineering ont exploré une approche non conventionnelle et prometteuse pour construire des qubits en utilisant des liquides quantiques et des solides.
Leur article a examiné comment les électrons piégés juste au-dessus des surfaces des fluides quantiques ultracléens et des solides tels que l'hélium liquide et le néon solide offrent une combinaison de contrôle au niveau des puces et d'environnements ultra-nettoyés et sans défaut, présentant un chemin prometteur vers des qubirs évolutifs et à haute fidélité qui pourraient surmonter les limitations clés des technologies quantiques existantes.
« Cette plate-forme mélange le meilleur des deux mondes », a déclaré Wei Guo, professeur au Département de génie mécanique et co-auteur du journal. « L'électron réside dans un vide élevé au-dessus d'une surface de matériau vierge, et en même temps, nous pouvons utiliser des technologies micro-ondes à base de puces pour contrôler et lire son état. C'est une combinaison très puissante. »
Pour que les qubits fonctionnent bien, les concepteurs cherchent à optimiser quelques paramètres clés. Un paramètre est le temps de cohérence, une mesure de la durée d'un qubit peut maintenir son état quantique complexe. D'autres paramètres importants incluent la fidélité des portes, ou la probabilité que les opérations de qubit traitent correctement, et l'évolutivité, ou la facilité à laquelle un grand nombre de qubits peuvent être fabriqués.
Les plateformes actuelles des favoris, telles que les qubits supraconducteurs et les qubits piégés, ont des inconvénients. Les qubits supraconducteurs sont compatibles avec la fabrication de puces existants et idéal pour la mise à l'échelle, mais les défauts des matériaux limitent leur fidélité, nécessitant de nombreux qubits physiques pour former un qubit logique fiable. Les ions piégés, en revanche, offrent de longs temps de cohérence et des fidélités de porte élevées en raison de leur isolation sous vide, mais la mise à l'échelle de ces systèmes est limitée par le matériel de contrôle complexe.
L'article de revue met en évidence une alternative émergente: en utilisant des électrons confinés au-dessus de la surface des fluides quantiques ou des solides, des matériaux exotiques qui n'existent qu'à des températures cryogéniques. Ces électrons peuvent être manipulés avec précision via des circuits micro-ondes sur puce – comme les qubits supraconducteurs – tout en bénéficiant également d'un environnement sous vide exempt de défauts matériels – comme des ions piégés. Cet avantage hybride offre un chemin potentiel vers des qubits évolutifs à haute fidélité sans les compromis des systèmes actuels.
L'article s'appuie sur un ensemble croissant de travaux dans le domaine, y compris des contributions importantes du groupe de Guo. En 2022, une équipe impliquant Guo a démontré un opération de bits quantiques utilisant des électrons sur un néon solide, une percée qui a reçu une large attention. Plus récemment, son groupe a révélé comment les électrons peuvent se lier spontanément aux caractéristiques de surface sur un néon solide, formant de nouveaux états quantiques qui ont un impact sur le comportement du qubit.
La revue intègre également des développements majeurs dans les qubits électron-sur-hélium et autres fluides quantiques et plates-formes basées sur les solides par des chercheurs du monde entier. Il sert de référence unifiée et accessible pour les scientifiques, en particulier ceux en dehors de la petite communauté des matériaux quantiques, intéressés à explorer ces approches émergentes du développement des appareils quantiques.
En pontant la science des matériaux quantiques et l'ingénierie de l'information quantique, l'article jette les bases des nouvelles directions dans la conception de Qubit, ce qui pourrait aider à déverrouiller toute la promesse de l'informatique quantique.
« S'il n'y a pas de bit quantique, alors quel que soit l'algorithme que vous développez, il n'y a pas de usage », a déclaré Guo. « Le domaine des fluides et solides quantiques est assez petit. Les gens de ce domaine comprennent les propriétés des fluides quantiques et des solides. Mais pour le domaine des sciences de l'information quantique beaucoup plus grande, les gens ne connaissent pas des matériaux comme l'hélium superfluide et le néon solide, et comment ils pourraient être utilisés pour faire des qubits. Maintenant, même, même les chercheurs et les ingénieurs à l'extérieur de ce domaine peuvent utiliser cette information pour faire leur travail de conception. »
L'idée de l'examen est née dans un atelier organisé par l'initiative quantique FSU. Les co-auteurs incluent Denis Konstantinov de l'Institut Okinawa des sciences et de la technologie et Dafei Jin de l'Université de Notre Dame.
