La nouvelle percée de Qubit pourrait révolutionner l’informatique quantique

Une nouvelle plate-forme qubit : les électrons d’un filament lumineux chauffé (en haut) atterrissent sur un néon solide (bloc rouge), où un seul électron (représenté par une fonction d’onde en bleu) est piégé et manipulé par un circuit quantique supraconducteur (puce à motifs en bas) . Crédit : avec l’aimable autorisation de Dafei Jin/Laboratoire national d’Argonne

Une nouvelle plate-forme qubit pourrait transformer la science et la technologie de l’information quantique.

Vous consultez sans aucun doute cet article sur un appareil numérique dont l’unité d’information de base est le bit, soit 0 ou 1. Les scientifiques du monde entier se précipitent pour développer un nouveau type d’ordinateur basé sur l’utilisation de bits quantiques, ou qubits.

Dans un article publié le 4 mai 2022, dans la revue Natureune équipe dirigée par le laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) a annoncé la création d’une nouvelle plate-forme qubit formée en congelant du gaz néon dans un solide à très basse température, en pulvérisant des électrons du filament d’une ampoule sur le solide et en piégeant un seul électron là-bas. Ce système a le potentiel d’être développé en blocs de construction parfaits pour les futurs ordinateurs quantiques.

“Il semblerait qu’un qubit idéal se profile à l’horizon. Grâce à la relative simplicité de la plate-forme électron sur néon, elle devrait se prêter à une fabrication facile à faible coût. — Dafei Jin, scientifique d’Argonne au Center for Nanoscale Materials

Pour réaliser un ordinateur quantique utile, les exigences de qualité pour les qubits sont extrêmement exigeantes. Bien qu’il existe aujourd’hui différentes formes de qubits, aucune n’est optimale.

Qu’est-ce qui ferait un qubit idéal ? Il possède au moins trois qualités exceptionnelles, selon Dafei Jin, scientifique argonnais et chercheur principal du projet.

Il peut rester dans un état simultané 0 et 1 (rappelez-vous le chat !) pendant longtemps. Les scientifiques appellent cette longue « cohérence ». Idéalement, ce temps serait d’environ une seconde, un pas de temps que nous pouvons percevoir sur une horloge domestique dans notre vie quotidienne.

Deuxièmement, le qubit peut être changé d’un état à un autre en peu de temps. Idéalement, ce temps serait d’environ un milliardième de seconde (nanoseconde), un pas de temps d’une horloge informatique classique.

Troisièmement, le qubit peut être facilement lié à de nombreux autres qubits afin qu’ils puissent fonctionner en parallèle les uns avec les autres. Les scientifiques appellent cette liaison un enchevêtrement.

Bien qu’à l’heure actuelle, les qubits bien connus ne soient pas idéaux, des entreprises comme IBM, Intel, Google, Honeywell et de nombreuses startups ont choisi leur favori. Ils poursuivent activement l’amélioration technologique et la commercialisation.

“Notre objectif ambitieux n’est pas de rivaliser avec ces entreprises, mais de découvrir et de construire un système qubit fondamentalement nouveau qui pourrait conduire à une plate-forme idéale”, a déclaré Jin.

Bien qu’il existe de nombreux choix de types de qubits, l’équipe a choisi le plus simple – un seul électron. Chauffer un simple filament lumineux que vous pourriez trouver dans un jouet d’enfant peut facilement produire une quantité illimitée d’électrons.

L’un des défis pour tout qubit, y compris l’électron, est qu’il est très sensible aux perturbations de son environnement. Ainsi, l’équipe a choisi de piéger un électron sur une surface de néon solide ultrapure dans le vide.

Le néon est l’un des rares éléments inertes qui ne réagissent pas avec d’autres éléments. “En raison de cette inertie, le néon solide peut servir de solide le plus propre possible dans le vide pour héberger et protéger tous les qubits contre les perturbations”, a déclaré Jin.

Un composant clé de la plate-forme qubit de l’équipe est un résonateur micro-ondes à l’échelle d’une puce constitué d’un supraconducteur. (Le four à micro-ondes domestique beaucoup plus grand est également un résonateur à micro-ondes.) Les supraconducteurs – des métaux sans résistance électrique – permettent aux électrons et aux photons d’interagir ensemble à proximité de

zéro absolu
Le zéro absolu est la température théorique la plus basse sur l’échelle de température thermodynamique. A cette température, tous les atomes d’un objet sont au repos et l’objet n’émet ni n’absorbe d’énergie. La valeur internationalement convenue pour cette température est de -273,15 ° C (-459,67 ° F; 0,00 K).

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“The microwave resonator crucially provides a way to read out the state of the qubit,” said Kater Murch, physics professor at the Washington University in St. Louis and a senior co-author of the paper. “It concentrates the interaction between the qubit and microwave signal. This allows us to make measurements telling how well the qubit works.”

“With this platform, we achieved, for the first time ever, strong coupling between a single electron in a near-vacuum environment and a single microwave photon in the resonator,” said Xianjing Zhou, a postdoctoral appointee at Argonne and the first author of the paper. “This opens up the possibility to use microwave photons to control each electron qubit and link many of them in a quantum processor,” Zhou added.

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years.” — David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper

The team tested the platform in a scientific instrument called a dilution refrigerator, which can reach temperatures as low as a mere 10 millidegrees above absolute zero. This instrument is one of many quantum capabilities in Argonne’s Center for Nanoscale Materials, a DOE Office of Science user facility.

The team performed real-time operations to an electron qubit and characterized its quantum properties. These tests demonstrated that the solid neon provides a robust environment for the electron with very low electric noise to disturb it. Most importantly, the qubit attained coherence times in the quantum state competitive with state-of-the-art qubits.

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years,” said David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper. “This is only our first series of experiments. Our qubit platform is nowhere near optimized. We will continue improving the coherence times. And because the operation speed of this qubit platform is extremely fast, only several nanoseconds, the promise to scale it up to many entangled qubits is significant.”

There is yet one more advantage to this remarkable qubit platform.“Thanks to the relative simplicity of the electron-on-neon platform, it should lend itself to easy manufacture at low cost,” Jin said. “It would appear an ideal qubit may be on the horizon.”

Reference: “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform” by Xianjing Zhou, Gerwin Koolstra, Xufeng Zhang, Ge Yang, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Kater W. Murch, David I. Schuster and Dafei Jin, 4 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04539-x

The team published their findings in a Nature article titled “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform.” In addition to Jin and Zhou, Argonne contributors include Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li and Ralu Divan. In addition to David Schuster, the University of Chicago contributors also include Brennan Dizdar. In addition to Kater Murch of Washington University in St. Louis, other researchers include Wei Guo of Florida State University, Gerwin Koolstra of Lawrence Berkeley National Laboratory and Ge Yang of Massachusetts Institute of Technology.

Funding for the Argonne research primarily came from the DOE Office of Basic Energy Sciences, Argonne’s Laboratory Directed Research and Development program and the Julian Schwinger Foundation for Physics Research.

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