Avancées dans les qubits de spin pour l'informatique quantique

Les Qubits de spin en silicium sont une option prometteuse pour construire des ordinateurs quantiques puissants. Contrairement aux ordinateurs classiques qui utilisent des bits comme unités d'information les plus petites, les ordinateurs quantiques utilisent des qubits. La caractéristique unique des qubits de spin est leur capacité à stocker des informations dans le spin des électrons. Ce spin peut être inversé, permettant des calculs complexes qui pourraient surpasser les ordinateurs classiques.

#Le défi du Bruit

Un gros challenge avec les qubits de spin, c'est le bruit qui peut déranger leurs opérations. Dans le silicium, le bruit basse fréquence provient principalement des spins nucléaires et des fluctuations de charge. Ces facteurs de bruit peuvent diminuer la précision des opérations des qubits, donc il est essentiel de trouver des moyens de minimiser leur impact.

#Configuration du dispositif

Les chercheurs ont créé un dispositif à deux qubits en utilisant du silicium naturel et du germanium. Ce dispositif permet de contrôler complètement les qubits et est conçu pour tester la précision des opérations des qubits sans purifier le silicium. Les composants clés du dispositif incluent différents portes qui gèrent les interactions entre les qubits, permettant un contrôle précis de leur comportement.

#Réalisations en Fidélité des qubits

En utilisant des techniques avancées et des conceptions de dispositifs, les chercheurs ont obtenu des résultats impressionnants. Ils ont pu effectuer des opérations sur des qubits uniques avec un haut degré de précision-plus de 99 % de fidélité. En testant une opération à deux qubits, connue sous le nom de porte Controlled-Z (CZ), ils ont enregistré une fidélité de 91 %. Cela montre que même dans du silicium naturel, il est possible d'effectuer des opérations à haute fidélité.

#Création d'états de Bell

Un point important de l'informatique quantique est l'intrication des qubits, qui peuvent être mesurés sous forme d'états de Bell. Ces états sont cruciaux pour la communication et le calcul quantiques. Les chercheurs ont utilisé une méthode appelée portes CZ découplées pour préparer des états de Bell avec une fidélité de 91 %. Ce résultat est encourageant car il suggère que le silicium naturel peut être un matériau compétitif dans le domaine de l'informatique quantique.

#Besoin de Correction d'erreurs quantiques

Pour un fonctionnement pratique des ordinateurs quantiques, il est essentiel de protéger les qubits de la perte de leur cohérence dans le temps. Cela se fait souvent par une méthode appelée correction d'erreurs quantiques. Cela nécessite de nombreux qubits travaillant ensemble efficacement et avec précision pour garantir des calculs de longue durée.

#Améliorations grâce à la purification isotopique

Des travaux antérieurs se concentraient sur l'amélioration des performances des qubits en utilisant du silicium purifié isotopiquement, ce qui élimine certains spins nucléaires. Cette approche a augmenté la fidélité des opérations des qubits. Cependant, on a constaté qu même avec purification, les améliorations concernant la durée de maintien des états des qubits n'étaient pas aussi significatives qu'espéré. Cela suggère que d'autres types de bruit, particulièrement les fluctuations de charge, jouaient un rôle plus important que le bruit des spins nucléaires.

#Méthodologie expérimentale

Les chercheurs ont conçu un dispositif à double point quantique sur un matériau Si/SiGe naturel pour réaliser leurs expériences. Ils ont mis en œuvre diverses techniques pour calibrer soigneusement les paramètres des qubits, qui sont vitaux pour des opérations précises. Les performances du dispositif ont été évaluées à l'aide de méthodes comme le benchmarking randomisé, une technique qui vérifie comment les qubits se comportent sous différentes conditions.

#Performance des portes à un qubit

Pour réaliser des opérations sur un qubit, les chercheurs ont utilisé une technique appelée résonance de spin par dipôle électrique. L'objectif était d'ajuster la phase des signaux micro-ondes pour contrôler avec précision les spins des qubits. Les mesures ont montré que les portes à un qubit avaient une fidélité très élevée, dépassant les normes requises pour l'informatique quantique pratique.

#Performance des portes à deux qubits

Pour les opérations à deux qubits, les chercheurs ont utilisé une porte Controlled-Phase (CPhase), qui implique de gérer soigneusement les interactions entre les qubits. Cela a été fait en appliquant des impulsions de tension ciblées pour changer le comportement des qubits. En procédant ainsi, ils ont pu créer la porte CZ, menant à des opérations réussies à deux qubits.

#Défis et orientations futures

Bien que les résultats soient prometteurs, les chercheurs ont dû faire face à des défis, notamment avec le bruit affectant les opérations des qubits. Ils ont observé que l'instabilité des phases des qubits limitait la fidélité des opérations. Pour y remédier, ils ont mis en œuvre des techniques comme le découplage dynamique pour améliorer les temps de cohérence des qubits.

#Conclusion

Dans l'ensemble, les résultats montrent qu'il est réalisable d'effectuer des opérations à haute fidélité en utilisant des qubits en silicium naturel. Malgré les défis posés par le bruit, la recherche indique qu'avec d'autres améliorations, en particulier concernant le bruit de charge et nucléaire, il pourrait être possible d'atteindre des performances encore meilleures dans l'informatique quantique à base de silicium. Les résultats ouvrent la voie à des avancées dans la construction d'ordinateurs quantiques plus fiables et évolutifs utilisant des matériaux déjà familiers dans l'industrie des semi-conducteurs.