Nouvelle architecture d'informatique quantique atteint un qubit de charge électronique avec un temps de cohérence de 0,1 milliseconde.
26 octobre 2023
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par Joseph E. Harmon, Argonne National Laboratory
La cohérence est un pilier de la communication efficace, que ce soit dans l'écriture, la parole ou le traitement de l'information. Ce principe s'étend aux bits quantiques, ou qubits, les éléments constitutifs de l'informatique quantique. Un ordinateur quantique pourrait un jour relever des défis jusqu'alors insurmontables dans la prévision climatique, la conception de matériaux, la découverte de médicaments, et bien plus encore.
Une équipe dirigée par l'Argonne National Laboratory du Department of Energy (DOE) des États-Unis a atteint une étape importante vers l'informatique quantique future. Ils ont prolongé le temps de cohérence de leur nouveau type de qubit à une impressionnante durée de 0,1 milliseconde, près de mille fois supérieure au précédent record.
La recherche a été publiée dans Nature Physics.
« Au lieu de 10 à 100 opérations sur les temps de cohérence des qubits à charge d'électrons conventionnels, nos qubits peuvent en effectuer 10 000 avec une très grande précision et rapidité », explique Dafei Jin, professeur à l'Université Notre-Dame avec un poste conjoint au Center for Nanoscale Materials de l'Argonne.
Dans la vie quotidienne, 0,1 milliseconde est aussi fugace qu'un clin d'œil. Cependant, dans le monde quantique, cela représente une fenêtre assez longue pour qu'un qubit puisse effectuer des milliers d'opérations.
Contrairement aux bits classiques, les qubits semblent pouvoir exister dans les deux états, 0 et 1. Pour un qubit fonctionnel, il est impératif de maintenir cet état mixte pendant une durée de cohérence suffisamment longue. Le défi consiste à protéger le qubit contre l'afflux constant de bruit perturbateur provenant de l'environnement environnant.
Les qubits de l'équipe codent l'information quantique dans les états de mouvement (charge) des électrons. C'est pourquoi ils sont appelés qubits à charge.
« Parmi les différents qubits existants, les qubits à charge d'électrons sont particulièrement attrayants en raison de leur simplicité de fabrication et d'utilisation, ainsi que de leur compatibilité avec les infrastructures existantes des ordinateurs classiques », déclare Jin, le responsable du projet. « Cette simplicité devrait se traduire par un faible coût de construction et d'exploitation des ordinateurs quantiques à grande échelle. »
Jin est un ancien chercheur du Center for Nanoscale Materials (CNM), une installation de l'Office of Science du DOE, à l'Argonne. Là-bas, il a dirigé la découverte de leur nouveau qubit, rapporté l'année dernière.
Le qubit de l'équipe est un électron unique piégé sur une surface ultra-propre de néon solide dans un vide. Le néon est important car il résiste aux perturbations de l'environnement environnant. Le néon fait partie d'un petit nombre d'éléments qui ne réagissent pas avec les autres éléments. La plateforme en néon protège le qubit électronique et garantit inévitablement une longue durée de cohérence.
« Grâce à l'empreinte réduite des électrons uniques sur le néon solide, les qubits fabriqués avec eux sont plus compacts et prometteurs pour l'extension à plusieurs qubits liés », explique Xu Han, chercheur adjoint au CNM avec un poste conjoint à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago. « Ces caractéristiques, ainsi que la durée de cohérence, rendent notre qubit électronique exceptionnellement convaincant. »
Suite à une optimisation expérimentale continue, l'équipe a non seulement amélioré la qualité de la surface de néon, mais a également considérablement réduit les signaux perturbateurs. Comme indiqué dans Nature Physics, leur travail a porté ses fruits avec un temps de cohérence de 0,1 milliseconde. Il s'agit d'une augmentation d'environ mille fois par rapport aux 0,1 microseconde initiaux.
« La longue durée de vie de notre qubit électronique nous permet de contrôler et de lire les états des qubits individuels avec une grande fidélité », déclare Xinhao Li, chercheur postdoctoral à l'Argonne et co-premier auteur de l'article. Ce temps est bien au-dessus des exigences de l'informatique quantique.
Un autre attribut important d'un qubit est sa scalabilité pour se connecter à de nombreux autres qubits. L'équipe a franchi une étape significative en montrant que deux qubits électroniques peuvent être couplés au même circuit supraconducteur de telle sorte que l'information puisse être transférée entre eux via le circuit. Cela constitue une avancée décisive vers l'« intrication » de deux qubits, un aspect critique de l'informatique quantique.
L'équipe n'a pas encore optimisé pleinement son qubit électronique et continuera de travailler pour prolonger encore davantage la durée de cohérence ainsi que pour intriquer deux qubits ou plus.
In addition to Jin, Han and Li, Argonne contributors include postdocs Xianjing Zhou and Qianfan Chen. Other contributors include co-corresponding author David I. Schuster, a former physics professor at the University of Chicago now at Stanford University, and Xufeng Zhang, a former staff scientist at CNM and now a professor at Northeastern University. Also listed as authors are Gerwin Koolstra, Ge Yang, Brennan Dizdar, Yizhong Huang and Christopher S. Wang.
The collaborating institutions include Lawrence Berkeley National Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Northeastern University, Stanford University, the University of Chicago and the University of Notre Dame.
Journal information: Nature Physics
Provided by Argonne National Laboratory