Les qubits de spin se déplacent en trampoline pour créer des portes quantiques et se coupler à d'autres qubits de spin sur la puce. Crédit : Studio Oostrum pour QuTech
Des chercheurs de QuTech ont développé des qubits à spin oscillant pour la logique quantique universelle. Cette avancée pourrait permettre un contrôle efficace de grands réseaux de qubits à semi-conducteurs.
Plus de vingt ans après la proposition de Loss et DiVincenzo pour le calcul quantique avec des points quantiques, les chercheurs de QuTech ont concrétisé ces concepts en utilisant le germanium pour faciliter le contrôle du spin. Cette approche simplifie l'électronique nécessaire pour l'informatique quantiquedémontrant un contrôle efficace sur des réseaux de points quantiques étendus.
Qubits à points quantiques
En 1998, Loss et DiVincenzo ont publié un ouvrage fondateur intitulé « Quantum Computing with Quantum Dots ». Dans leur travail original, le saut de spins avait été proposé comme base de la logique des qubits, mais une mise en œuvre expérimentale faisait encore défaut. Après plus de 20 ans, les expériences ont rattrapé la théorie. Des chercheurs de QuTech, une collaboration entre la TU Delft et le TNO, ont démontré que les « portes sautantes » originales étaient bel et bien possibles, avec des performances de pointe.
Co-auteurs Floor van Riggelen (devant) et Sander de Snoo. Crédit : Marc Blommaert pour QuTech
Progrès dans le contrôle des qubits
Les qubits basés sur des points quantiques sont étudiés dans le monde entier car ils sont considérés comme une plate-forme convaincante pour la construction d'un ordinateur quantique. L'approche la plus populaire consiste à piéger un seul électron et à appliquer un champ magnétique suffisamment grand, permettant d'utiliser le spin de l'électron comme un qubit et de le contrôler par des signaux micro-ondes.
Dans ce travail, les chercheurs démontrent toutefois qu’aucun signal micro-onde n’est nécessaire. Au contraire, des signaux en bande de base et de faibles champs magnétiques suffisent pour obtenir un contrôle universel des qubits. Cette approche est avantageuse car elle peut simplifier considérablement l’électronique de commande nécessaire au fonctionnement des futurs processeurs quantiques.
Des qubits sautillants aux qubits périlleux
Le contrôle du spin nécessite de sauter d'un point à un autre et un mécanisme physique capable de le faire tourner. Au départ, la proposition de Loss et DiVincenzo utilise un type spécifique d'aimant, qui s'est avéré difficile à réaliser expérimentalement. Au lieu de cela, le groupe de QuTech a été le pionnier du germanium. Ce semi-conducteur peut déjà permettre à lui seul des rotations de spin. Cela est motivé par des travaux publiés dans Nature Communicationsoù Floor van Riggelen-Doelman et Corentin Déprez du même groupe montrent que le germanium peut servir de plate-forme pour le saut de qubits de spin comme base pour réaliser des liaisons quantiques. Ils ont observé les premières indications de rotations de spin.
Pour faire la différence entre les qubits sautillants et les qubits culbutants, il faut considérer les réseaux de points quantiques comme un parc de trampolines, où les spins des électrons sont comme des gens qui sautent. En général, chaque personne dispose d'un trampoline dédié, mais elle peut sauter sur les trampolines voisins s'ils sont disponibles. Le germanium a une propriété unique : en sautant simplement d'un trampoline à l'autre, une personne subit un couple qui la fait sauter. Cette propriété permet aux chercheurs de contrôler efficacement les qubits.
Les co-auteurs Sasha Ivlev, Hanifa Tidjani et Chien-An Wang (de gauche à droite) inspectent l'unité de traitement quantique montée. Crédit : Marc Blommaert pour QuTech
Chien-An Wang, premier auteur de l' Science L’article précise : « Le germanium a l’avantage d’aligner les spins dans différentes directions dans différents points quantiques. » Il s’est avéré que de très bons qubits peuvent être fabriqués en faisant sauter des spins entre de tels points quantiques. « Nous avons mesuré des taux d’erreur inférieurs à mille pour les portes à un qubit et à cent pour celles à deux qubits. »
Des qubits en salto dans un parc de trampolines
Après avoir réussi à contrôler deux spins dans un système à quatre points quantiques, l’équipe a franchi une étape supplémentaire. Au lieu de faire sauter des spins entre deux points quantiques, l’équipe a également étudié la possibilité de sauter d’un point à l’autre. De manière analogue, cela correspondrait à une personne qui saute et fait des saltos sur de nombreux trampolines. Valentin John, co-auteur, explique : « Pour l’informatique quantique, il est nécessaire d’exploiter et de coupler un grand nombre de qubits avec une grande précision. »
Les différents trampolines font ressentir aux gens des couples différents lors des sauts, et de la même manière, les sauts de spin entre les points quantiques entraînent également des rotations uniques. Il est donc important de caractériser et de comprendre cette variabilité. Le co-auteur Francesco Borsoi ajoute : « Nous avons établi des routines de contrôle qui permettent de sauter des spins vers n’importe quel point quantique dans un réseau de 10 points quantiques, ce qui nous permet de sonder des mesures clés des qubits dans des systèmes étendus. »
Effort d'équipe
« Je suis fier de voir tout le travail d’équipe », résume le chercheur principal Menno Veldhorst. « En l’espace d’un an, l’observation des rotations de qubits dues aux sauts est devenue un outil utilisé par l’ensemble du groupe. Nous pensons qu’il est essentiel de développer des schémas de contrôle efficaces pour le fonctionnement des futurs ordinateurs quantiques et cette nouvelle approche est prometteuse. »
