Il existe de grands espoirs pour les ordinateurs quantiques: ils sont censés effectuer des calculs spécifiques beaucoup plus rapidement que les supercalculateurs actuels et, par conséquent, résolvent des problèmes scientifiques et pratiques qui sont insurmontables pour les ordinateurs ordinaires. La pièce maîtresse d'un ordinateur quantique est le bit quantique, qubit pour faire court, qui peut être réalisé de différentes manières – par exemple, en utilisant les niveaux d'énergie des atomes ou les tours des électrons.
Cependant, lors de la fabrication de tels qubits, les chercheurs sont confrontés à un dilemme. D'une part, un qubit doit être isolé de son environnement autant que possible. Sinon, ses superpositions quantiques se décomposent en peu de temps et les calculs quantiques sont perturbés. D'un autre côté, on tient à conduire des qubits le plus rapidement possible par analogie avec le blocage des bits classiques, ce qui nécessite une forte interaction avec l'environnement.
Normalement, ces deux conditions ne peuvent pas être remplies en même temps, car une vitesse de conduite plus élevée implique automatiquement une désintégration plus rapide des superpositions et, par conséquent, un temps de cohérence plus court.
Une équipe dirigée par le professeur Dominik Zumbühl à l'Université de Bâle a maintenant réussi à ajuster un qubit de spin d'une manière qui leur a permis d'augmenter à la fois sa vitesse et son temps de cohérence simultanément. Ces résultats, récemment publiés dans Communications de la naturepourrait également rendre d'autres qubits plus rapidement et plus robustes à l'avenir.
Marcher sur l'accélérateur de manière intelligente
« Au départ, nous nous sommes demandé ce qui se passerait si nous« marchons simplement sur l'accélérateur »de notre qubit – mais non seulement de quelque manière que ce soit, mais de la manière intelligente», explique le Dr Miguel J. Carballido, premier auteur de l'étude.
Lui et ses collègues ont construit un petit appareil composé d'un fil fait du matériau semi-conducteur germanium, ne mesurant que 20 nanomètres de diamètre et avec un mince revêtement en silicium. Ils ont ensuite retiré un seul électron d'un niveau d'énergie bas ou supérieur du fil, ce qui a abouti à un «trou». « Ce trou se comporte de manière similaire à une bulle d'air », explique Carballido.
Pour un tel système, une équipe de physiciens théoriques dirigée par le professeur Dr. Daniel Loss à l'Université de Bâle avait prédit il y a quelques années un mécanisme qui pourrait réaliser l'impossible: un lecteur plus rapide et, en même temps, un temps de cohérence plus long. « Nous exploitons un certain type de couplage spin-orbite pour cela », explique Carballido.
Dans le couplage spin-orbite, une particule mobile chargée électrique – un électron ou un trou – créent un champ magnétique. Ce champ magnétique, à son tour, « s'accouple » au spin de la particule et influence donc son énergie par une interaction magnétique. Pour les trous dans un matériau à l'état solide, cet effet est très fort et également contrôlable électriquement.
Tout est dans le mélange
En appliquant une tension électrique au nanofil, les chercheurs de Bâle peuvent donc influencer si le trou provient principalement d'un niveau d'énergie bas ou plus élevé, ou un mélange des deux niveaux. Ce mélange a une influence cruciale sur la façon dont la « pédale d'accélérateur » pour la conduite du qubit réagit: pour un mélange particulier, un soi-disant plateau apparaît, ce qui signifie que la marche plus dure sur l'accélérateur ne rend pas le lecteur plus rapide, mais le ralentit plutôt.
Une autre conséquence de ce plateau est que les fluctuations, par exemple, en raison des champs électriques dans l'environnement, influencent le qubit beaucoup moins que pour un couplage standard de spin-orbite. En conséquence, les états quantiques sont moins perturbés et le temps de cohérence augmente.
« De cette façon, nous avons pu augmenter quart le temps de cohérence de notre qubit tout en rendant le trajet trois fois plus vite », explique Carballido. Il souligne également une autre particularité: au lieu des températures extrêmement basses de moins de 100 millikelvin généralement nécessaires pour faire fonctionner un qubit, il peut s'en tirer avec un Kelvin relativement chaud. « Cela nécessite moins d'énergie et fonctionne sans l'hélium-3 rare », dit-il.
Pour l'instant, l'astuce du plateau ne fonctionne que dans les nanofils fabriqués à Bâle, dans lesquels les trous ne peuvent se déplacer que dans une dimension spatiale. Cependant, Zumbühl et ses collaborateurs espèrent que leur méthode pourra bientôt également être appliquée aux semi-conducteurs bidimensionnels et à d'autres types de qubits. Ce serait une contribution essentielle aux ordinateurs quantiques plus puissants.
