Une plateforme informatique à trois qubits est constituée de spins électroniques – Physics World

Une plateforme informatique à trois qubits est constituée de spins électroniques – Physics World

Horodatage: 28 octobre 2023 10h38

Qubits de spin électronique
Plateforme à qubits multiples : dans ce schéma, une pointe STM recouverte de fer (en haut) fait fonctionner le qubit de spin du capteur. Sont également présentés les qubits de spin distants, qui sont alignés par les champs magnétiques des atomes de fer proches. (Avec l'aimable autorisation de l'Institut des sciences fondamentales)

Une plate-forme informatique quantique capable de faire fonctionner simultanément plusieurs bits quantiques (qubits) basés sur le spin a été créée par des chercheurs sud-coréens. Conçu par Yujeong Bae, Phark Soo-hyon, André Heinrich et des collègues de l'Institut des sciences fondamentales de Séoul, le système est assemblé atome par atome à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM).

Alors que les ordinateurs quantiques du futur devraient être capables de surpasser les ordinateurs conventionnels dans certaines tâches, les processeurs quantiques naissants d’aujourd’hui sont encore trop petits et trop bruyants pour effectuer des calculs pratiques. Il reste encore beaucoup à faire pour créer des plates-formes de qubits viables, capables de conserver les informations suffisamment longtemps pour que les ordinateurs quantiques soient viables.

Les qubits ont déjà été développés à l’aide de plusieurs technologies différentes, notamment des circuits de calcul intensif et des ions piégés. Certains physiciens souhaitent également créer des qubits en utilisant les spins d’électrons individuels, mais ces qubits ne sont pas aussi avancés que certains de leurs homologues. Cependant, cela ne signifie pas que les qubits basés sur le spin sont hors d’usage.

"À l'heure actuelle, toutes les plates-formes d'informatique quantique existantes présentent des inconvénients majeurs. Il est donc impératif d'étudier de nouvelles approches", explique Heinrich.

Assemblage précis

Pour créer un processeur viable basé sur le spin, les qubits doivent être assemblés avec précision, couplés entre eux de manière fiable et exploités de manière cohérente quantique, le tout sur la même plate-forme. C'est quelque chose qui a jusqu'à présent échappé aux chercheurs, selon l'équipe basée à Séoul.

Les chercheurs ont créé leur plateforme multi-qubits à l’aide d’un STM, un outil puissant d’imagerie et de manipulation de la matière à l’échelle atomique. Lorsque la pointe conductrice d’un STM est rapprochée de la surface d’un échantillon, les électrons sont capables de créer un tunnel de mécanique quantique entre la pointe et la surface de l’échantillon.

Étant donné que la probabilité de tunnel dépend fortement de la distance entre la pointe et la surface, un STM peut cartographier la topographie à l'échelle nanométrique de l'échantillon en mesurant le courant de ces électrons tunnel. Les atomes individuels à la surface peuvent également être manipulés et assemblés en les poussant grâce aux forces nanométriques appliquées par la pointe.

En utilisant ces capacités, l’équipe a « démontré la première plateforme de qubits avec une précision à l’échelle atomique », selon Heinrich. "Il est basé sur les spins électroniques sur des surfaces, qui peuvent être placées à des distances atomiquement précises les unes des autres."

Qubit du capteur

À l’aide de STM, les chercheurs ont assemblé leur système sur la surface immaculée d’un film bicouche d’oxyde de magnésium. Le système comprend un qubit « capteur », qui est un atome de titane de spin 1/2 situé directement sous la pointe STM. La pointe est recouverte d'atomes de fer, ce qui signifie qu'elle peut être utilisée pour appliquer un champ magnétique local (voir figure).

De chaque côté de la pointe se trouvent une paire de qubits « distants » – également des atomes de titane de spin 1/2. Ceux-ci sont placés à des distances précises du qubit du capteur, en dehors de la région où un effet tunnel électronique entre les atomes peut se produire.

Pour contrôler les qubits distants simultanément avec le qubit du capteur, l’équipe a créé un gradient de champ magnétique en plaçant des atomes de fer à proximité. Les atomes de fer se comportent comme des aimants monoatomiques car leurs temps de relaxation de spin dépassent de loin les temps de fonctionnement des qubits individuels.

De cette manière, les atomes de fer agissent chacun comme un substitut à la pointe STM en fournissant un champ magnétique local statique pour aligner les spins de chaque qubit distant. Les transitions entre les états de spin des qubits sont effectuées en utilisant la pointe STM pour appliquer des impulsions radiofréquence au système – une technique appelée résonance de spin électronique.

Abordé et manipulé

L’équipe a initialisé leurs qubits en les refroidissant à 0.4 K, puis en appliquant un champ magnétique externe pour les amener dans le même état de spin et en les couplant ensemble. Par la suite, l’état du qubit du capteur dépendait de manière fiable de l’état des deux qubits distants, mais pouvait toujours être adressé et manipulé individuellement par la pointe STM.

Le résultat global était une toute nouvelle plate-forme de qubits qui permettait d’exploiter plusieurs qubits simultanément. "Notre étude a permis d'obtenir des portes à un qubit, à deux qubits et à trois qubits avec une bonne cohérence quantique", explique Heinrich.

Il ajoute que « la plateforme a ses avantages et ses inconvénients. Chez les pros, il est atomiquement précis et peut donc être facilement dupliqué. Par contre, la cohérence quantique est bonne mais doit encore être améliorée.

Si ces défis peuvent être surmontés, Heinrich et ses collègues voient un avenir brillant pour leur système.

"Nous pensons que cette approche peut être relativement facilement étendue à des dizaines de qubits d'électrons", explique Heinrich. « Ces spins électroniques peuvent également être couplés de manière contrôlable à des spins nucléaires, ce qui pourrait permettre une correction efficace des erreurs quantiques et augmenter l’espace de Hilbert disponible pour les opérations quantiques. Nous n’avons fait qu’effleurer la surface !

La recherche est décrite dans Sciences.

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