De nouvelles recherches sur le qubit électron-sur-néon solide révèlent que de petites bosses sur les surfaces solides du néon créent des états quantiques stables, permettant une manipulation précise. Ces recherches, soutenues par de nombreuses fondations, soulignent l'importance d'optimiser la fabrication des qubits, nous rapprochant ainsi de solutions informatiques quantiques pratiques.
Des recherches récentes ont fait progresser le développement de qubits électrons sur solide-néon, révélant des informations clés qui améliorent l'informatique quantique en prolongeant les temps de cohérence des qubits et en optimisant leur conception.
Les ordinateurs quantiques ont le potentiel d’être des outils révolutionnaires grâce à leur capacité à effectuer des calculs que les ordinateurs classiques mettraient plusieurs années à résoudre.
Mais pour fabriquer un ordinateur quantique efficace, il faut un bit quantique fiable, ou qubit, qui peut exister dans un état 0 ou 1 simultané pendant une période suffisamment longue, appelée temps de cohérence.
Une approche prometteuse consiste à piéger un seul électron sur une surface solide de néon, appelé qubit électron sur néon solide. Une étude dirigée par le professeur Wei Guo de la faculté d'ingénierie de la FAMU-FSU, publiée dans Lettres d'examen physique montre un nouvel aperçu de l'état quantique qui décrit l'état des électrons sur un tel qubit, des informations qui peuvent aider les ingénieurs à construire cette technologie innovante.
Schéma d'un bit quantique électron sur néon solide. Crédit : Avec l'aimable autorisation de Wei Guo
Dynamique des états quantiques et conception de qubits
L'équipe de Guo a découvert que de petites bosses à la surface du néon solide dans le qubit peuvent naturellement lier les électrons, ce qui crée des états quantiques en forme d'anneau de ces électrons. L'état quantique fait référence aux diverses propriétés d'un électron, telles que la position, l'impulsion et d'autres caractéristiques, avant qu'elles ne soient mesurées. Lorsque les bosses ont une certaine taille, l'énergie de transition de l'électron (la quantité d'énergie nécessaire pour qu'un électron passe d'un état d'anneau quantique à un autre) s'aligne sur l'énergie des photons micro-ondes, une autre particule élémentaire.
Wei Guo, professeur au département de génie mécanique de la faculté d'ingénierie de la FAMU-FSU. Crédit : Mark Wallheiser/FAMU-FSU College of Engineering
Cet alignement permet une manipulation contrôlée de l’électron, nécessaire à l’informatique quantique.
« Ces travaux font progresser considérablement notre compréhension du mécanisme de piégeage des électrons sur une plateforme informatique quantique prometteuse », a déclaré Guo. « Ils clarifient non seulement des observations expérimentales déroutantes, mais fournissent également des informations cruciales pour la conception, l’optimisation et le contrôle des qubits électron-sur-néon solide. »
Des travaux antérieurs de Guo et de ses collaborateurs ont démontré la viabilité d'une plateforme de qubits à électron unique à l'état solide utilisant des électrons piégés sur du néon solide. Des recherches récentes ont montré des temps de cohérence aussi élevés que 0,1 milliseconde, soit 100 fois plus longs que les temps de cohérence typiques de 1 microseconde pour les qubits de charge conventionnels à base de semi-conducteurs et de supraconducteurs.
Le temps de cohérence détermine la durée pendant laquelle un système quantique peut maintenir un état de superposition, c'est-à-dire la capacité du système à être dans plusieurs états en même temps jusqu'à ce qu'il soit mesuré, ce qui est l'une des caractéristiques qui confèrent aux ordinateurs quantiques leurs capacités uniques.
Optimisation des performances des qubits
Le temps de cohérence prolongé du qubit électron sur solide-néon peut être attribué à l'inertie et à la pureté du néon solide. Ce système de qubits aborde également la question des vibrations de la surface du liquide, un problème inhérent au qubit électron sur liquide-hélium, plus largement étudié. Les recherches actuelles offrent des perspectives cruciales pour optimiser davantage le qubit électron sur solide-néon.
Une partie cruciale de cette optimisation consiste à créer des qubits lisses sur la majeure partie de la surface solide du néon, mais dotés de bosses de la bonne taille là où elles sont nécessaires. Les concepteurs souhaitent un minimum de bosses naturelles sur la surface qui attirent les charges électriques de fond perturbatrices. En même temps, la fabrication intentionnelle de bosses de la bonne taille dans le résonateur micro-ondes du qubit améliore la capacité à piéger les électrons.
« Cette recherche souligne la nécessité cruciale d’étudier plus avant la manière dont les différentes conditions affectent la fabrication des qubits au néon », a déclaré Guo. « Les températures et la pression d’injection du néon influencent le produit final du qubit. Plus nous aurons de contrôle sur ce processus, plus nous pourrons construire avec précision et plus nous nous rapprocherons de l’informatique quantique capable de résoudre des calculs actuellement ingérables. »
Les co-auteurs de cet article étaient Toshiaki Kanai, ancien étudiant diplômé en recherche au département de physique de la FSU, et Dafei Jin, professeur associé à l'Université de Notre Dame.
La recherche a été soutenue par la National Science Foundation, la Gordon and Betty Moore Foundation et l'Air Force Office of Scientific Research.
