L’informatique quantique dans le silicium atteint 99 % de précision

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Des chercheurs australiens ont prouvé que l’informatique quantique presque sans erreur est possible, ouvrant la voie à la construction de dispositifs quantiques à base de silicium compatibles avec la technologie actuelle de fabrication de semi-conducteurs.

“La publication d’aujourd’hui montre que nos opérations étaient à 99% sans erreur”, déclare le professeur Andrea Morello de l’UNSW, qui a dirigé les travaux avec des partenaires aux États-Unis, au Japon, en Égypte, à l’UTS et à l’Université de Melbourne. “Lorsque les erreurs sont si rares, il devient possible de les détecter et de les corriger lorsqu’elles surviennent. Cela montre qu’il est possible de construire des ordinateurs quantiques qui ont suffisamment d’échelle et suffisamment de puissance pour gérer des calculs significatifs”. L’objectif de l’équipe est de construire ce qu’on appelle un “ordinateur quantique universel” qui ne sera pas spécifique à une application en particulier. “Cette recherche est une étape importante dans le cheminement qui nous y mènera”, déclare le professeur Morello.

L’informatique quantique dans le silicium atteint le seuil de 99 %

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L’article du professeur Morello est l’un des trois publiés aujourd’hui dans Nature qui confirment indépendamment que l’informatique quantique robuste et fiable dans le silicium est désormais une réalité. La percée figure sur la couverture du journal. Morello et al. ont atteint des fidélités de fonctionnement à un qubit jusqu’à 99,95 % et une fidélité à deux qubits de 99,37 % avec un système à trois qubits comprenant un électron et deux atomes de phosphore, introduits dans le silicium par implantation ionique. Une équipe de Delft aux Pays-Bas dirigée par Lieven Vandersypen a atteint 99,87 % de fidélité à un qubit et 99,65 % à deux qubits en utilisant des spins électroniques dans des points quantiques formés dans un empilement de silicium et d’alliage silicium-germanium (Si/SiGe). Et une équipe RIKEN au Japon dirigée par Seigo Tarucha a également atteint 99,84 % de fidélité à un qubit et 99,51 % de fidélité à deux qubits dans un système à deux électrons utilisant des points quantiques Si/SiGe.

Les équipes de l’UNSW et de Delft ont certifié les performances de leurs processeurs quantiques à l’aide d’une méthode sophistiquée appelée Tomographie d’ensemble de portes quantiques, développée aux Sandia National Laboratories aux États-Unis et mise à la disposition de la communauté des chercheurs. Le professeur Morello avait précédemment démontré qu’il pouvait conserver l’information quantique dans le silicium pendant 35 secondes, en raison de l’isolement extrême des spins nucléaires de leur environnement. “Dans le monde quantique, 35 secondes, c’est une éternité”, déclare le professeur Morello. “Pour donner une comparaison, dans les célèbres ordinateurs quantiques supraconducteurs de Google et d’IBM, la durée de vie est d’environ une centaine de microsecondes, soit près d’un million de fois plus courte”. Mais le compromis était que l’isolement des qubits les rendait apparemment impossibles à interagir les uns avec les autres, comme nécessaire pour effectuer des calculs réels.

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Vue d’artiste de l’intrication quantique entre trois qubits dans le silicium : les deux spins nucléaires (sphères rouges) et un spin électronique (ellipse brillante) qui s’enroule autour des deux noyaux. Image : © UNSW/Tony Melov.

Les spins nucléaires apprennent à interagir avec précision

L’article d’aujourd’hui décrit comment son équipe a surmonté ce problème en utilisant un électron englobant deux noyaux d’atomes de phosphore. “Si vous avez deux noyaux connectés au même électron, vous pouvez leur faire effectuer une opération quantique”, explique Mateusz Mądzik, l’un des principaux auteurs expérimentaux. “Tant que vous ne faites pas fonctionner l’électron, ces noyaux stockent en toute sécurité leurs informations quantiques. Mais maintenant, vous avez la possibilité de les faire parler entre eux via l’électron, pour réaliser des opérations quantiques universelles qui peuvent être adaptées à n’importe quel problème de calcul”. “Il s’agit vraiment d’une technologie de déverrouillage”, déclare le Dr Serwan Asaad, un autre auteur expérimental principal. “Les spins nucléaires sont le cœur du processeur quantique. Si vous les emmêlez avec l’électron, alors l’électron peut alors être déplacé vers un autre endroit et s’emmêler avec d’autres noyaux de qubit plus loin, ouvrant la voie à la création de larges réseaux de qubits capables de calculs robustes et utiles”.

Le professeur David Jamieson, directeur de recherche à l’Université de Melbourne, déclare: “Les atomes de phosphore ont été introduits dans la puce de silicium par implantation ionique, la même méthode utilisée dans toutes les puces informatiques en silicium existantes. Cela garantit que notre percée quantique est compatible avec l’industrie plus large des semi-conducteurs”. Tous les ordinateurs existants déploient une certaine forme de correction d’erreurs et de redondance des données, mais les lois de la physique quantique imposent de sévères restrictions sur la façon dont la correction se déroule dans un ordinateur quantique. Le professeur Morello explique: “Vous avez généralement besoin de taux d’erreur inférieurs à 1 % pour appliquer les protocoles de correction d’erreur quantique. Ayant maintenant atteint cet objectif, nous pouvons commencer à concevoir des processeurs quantiques au silicium qui évoluent et fonctionnent de manière fiable pour des calculs utiles”.

La collaboration mondiale est la clé du tiercé gagnant d’aujourd’hui

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Les qubits de spin semi-conducteurs en silicium sont bien placés pour devenir la plate-forme de choix pour des ordinateurs quantiques fiables. Ils sont suffisamment stables pour conserver des informations quantiques pendant de longues périodes et peuvent être mis à l’échelle à l’aide de techniques familières de la technologie de fabrication avancée de semi-conducteurs existante. “Jusqu’à présent, cependant, le défi consistait à effectuer des opérations de logique quantique avec une précision suffisamment élevée”, déclare le professeur Morello. “Chacun des trois articles publiés aujourd’hui montre comment ce défi peut être surmonté à un tel degré que les erreurs peuvent être corrigées plus rapidement qu’elles n’apparaissent”.

Bien que les trois articles rapportent des résultats indépendants, ils illustrent les avantages qui découlent de la recherche universitaire libre et de la libre circulation des idées, des personnes et des matériaux. Par exemple, le silicium et le silicium-germanium utilisés par les groupes de Delft et du RIKEN ont été cultivés à Delft et partagés entre les deux groupes. Le matériau de silicium isotopiquement purifié utilisé par le groupe UNSW a été fourni par le professeur Kohei Itoh, de l’Université Keio au Japon. La méthode de tomographie par ensemble de porte (GST), qui était essentielle pour quantifier et améliorer les fidélités de porte quantique dans les articles de l’UNSW et de Delft, a été développée aux Sandia National Laboratories aux États-Unis et rendue publique. L’équipe de Sandia a travaillé directement avec le groupe UNSW pour développer des méthodes spécifiques à leur système de spin nucléaire, mais le groupe de Delft a également pu l’adopter indépendamment pour ses recherches.

L’article dirigé par l’UNSW est le résultat d’une large collaboration, impliquant des chercheurs de l’UNSW lui-même, de l’Université de Melbourne (pour l’implantation ionique), de l’Université de technologie de Sydney (pour l’application initiale de la méthode GST), des Sandia National Laboratories (invention et raffinement de la méthode GST) et l’Université de Keio (fourniture du matériau de silicium isotopiquement purifié).

Voir la publication

Mądzik, M.T., Asaad, S., Youssry, A. et al. Precision tomography of a three-qubit donor quantum processor in silicon. Nature 601, 348–353 (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04292-7

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