Dans le domaine en évolution rapide de l'informatique quantique, les qubits de spin en silicium émergent en tant que candidat de premier plan pour construire des ordinateurs quantiques évolutifs et tolérants aux pannes.
Une nouvelle revue intitulée « Qubits à spin à électrons uniques dans le silicium pour quantum », publié dans Informatique intelligentemet en évidence les dernières avancées, défis et perspectives d'avenir des qubits de spin en silicium pour l'informatique quantique.
Les qubits de spin en silicium sont compatibles avec les processus de fabrication de l'industrie des semi-conducteurs existants, ce qui les rend prometteurs pour les ordinateurs quantiques universels. Ils ont plusieurs propriétés remarquables.
« Ils peuvent avoir de longs temps de cohérence, jusqu'à 0,5 seconde, des fidélités de porte à qubit supérieures dépassant 99,95% et des fidélités de porte à deux qubits dépassant le seuil tolérant aux pannes », selon les auteurs.
De plus, les qubits de spin en silicium peuvent fonctionner comme des «qubits chauds» à des températures de 1 Kelvin ou plus, et des études récentes ont même démontré des fidélités de grille requises pour les opérations tolérantes aux failles à cette température.
Les points quantiques en silicium, également appelés atomes artificiels, sont la structure de base des qubits de spin au silicium. Ces minuscules structures peuvent piéger et contrôler les électrons individuels, permettant aux chercheurs de définir divers types de qubits de spin. Par exemple, les points à électrons uniques peuvent être manipulés avec des champs magnétiques à courant alternatif, tandis que les systèmes à deux électrons dans des points doubles utilisent des interactions d'échange pour définir des qubits, tels que des tricots de triplet singulet, et pour construire diverses portes à deux qubit, y compris des gates d'échange, des portes en phase contrôlée et des portes à notaire.
L'examen se concentre sur deux principaux types de qubits de spin de silicium: les points quantiques définis par des portes et les points quantiques à base de donneurs. Des points quantiques définis par les portes sont construits à l'aide de champs électriques pour piéger les électrons, avec une fabrication reposant sur des substrats comme le silicium, les hétérostructures de silicium / germanium ou les structures de silicium métal-oxyde-semi-conducteur. Alors que les points quantiques à base de donneurs adoptent une approche différente, ils codent pour les qubits à travers l'utilisation de dopants comme le phosphore, avec des méthodes de fabrication, y compris l'implantation d'ions et la lithographie au microscope à tunneling à tunneling.
Cependant, les points quantiques définis par les portes et les points quantiques à base de donneurs partagent des technologies communes. Leurs temps de cohérence de spin pour les deux points quantiques sont significativement prolongés à l'aide de matériaux purifiés isotopiquement. Leur initialisation et leur lecture du qubit peuvent être réalisées grâce à des processus de conversion spin-to charge, tels que le tunneling sélectif et le blocage de spin Pauli.
Les portes à un qubit peuvent être manipulées en utilisant des techniques de résonance de spin d'électrons ou de résonance de spin dipôle électrique. Les portes à deux qubit sont implémentées en utilisant l'interaction d'échange entre les qubits.
Réaliser le couplage à longue distance des qubits de spin est crucial pour augmenter le nombre de qubits et permettre des architectures de calcul quantique distribuées. L'électrodynamique quantique du circuit, qui utilise des photons micro-ondes dans les résonateurs supraconducteurs, rendent cela possible. Un fort couplage spin-photon a été démontré à l'aide de techniques hybrides comme les interactions synthétiques spin-orbite fournies par les micromagnes. Ces avancées permettent un transfert cohérent de l'état quantique entre les qubits éloignés, soutenant le développement de processeurs multicœurs quantiques et d'architectures distribuées.
L'avenir des qubits de spin en silicium semble prometteur, mais fait également face à des défis. Pour les points quantiques définis par des portes, « l'intégration des qubits de silicium avec un contrôle classique sur puce, l'exploration de nouvelles dispositions de réseau de qubit 2D et 3D, et éventuellement fonctionner à des températures plus élevées sont des domaines de recherche importants », selon les auteurs.
Pour les points quantiques à base de donneurs, le développement des techniques de fabrication, l'intégration avec des « qubits chauds » et la technologie de semi-conducteurs complémentaires en oxyde métallique complémentaire et l'exploration de nouveaux dopants sont des domaines d'intérêt. La mise à l'échelle nécessitera une amélioration continue de la fidélité des opérations de qubit, de la lutte contre l'inhomogénéité et le trouble dans les tableaux à grande échelle et l'optimisation de l'architecture.
