Construire un meilleur bit quantique : une nouvelle percée de qubit pourrait transformer l’informatique quantique – Florida State University News

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Une illustration de la plate-forme qubit constituée d'un seul électron sur du néon solide. Les chercheurs ont gelé du gaz néon dans un solide à très basse température, pulvérisé des électrons d'une ampoule sur le solide et y ont piégé un seul électron pour créer un qubit. (Avec l'aimable autorisation de Dafei Jin/Laboratoire national d'Argonne)
Une illustration de la plate-forme qubit constituée d’un seul électron sur du néon solide. Les chercheurs ont gelé du gaz néon dans un solide à très basse température, pulvérisé des électrons d’une ampoule sur le solide et y ont piégé un seul électron pour créer un qubit. (Avec l’aimable autorisation de Dafei Jin/Laboratoire national d’Argonne)

Vous consultez sans aucun doute cet article sur un appareil numérique dont l’unité d’information de base est le bit, 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, qui peuvent simultanément être 0 et 1 et pourrait un jour résoudre des problèmes complexes au-delà de tous les supercalculateurs classiques.

Une équipe dirigée par des chercheurs du laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE), en étroite collaboration avec Wei Guo, professeur associé de génie mécanique du FAMU-FSU College of Engineering, a annoncé la création d’une nouvelle plate-forme qubit très prometteuse pour être développés dans les futurs ordinateurs quantiques. Leurs travaux sont publiés dans Nature.

FAMU-FSU College of Engineering Professeur agrégé de génie mécanique Wei Guo
FAMU-FSU College of Engineering Professeur agrégé de génie mécanique Wei Guo

Les ordinateurs quantiques pourraient être un outil révolutionnaire pour effectuer des calculs pratiquement impossibles pour les ordinateurs classiques, mais il reste encore du travail à faire pour les concrétiser, a déclaré Guo, co-auteur de l’article. Avec cette recherche, nous pensons que nous avons une percée qui contribue grandement à la fabrication de qubits qui aident à réaliser le potentiel de cette technologie.

L’équipe a créé son qubit en congelant du gaz néon dans un solide à très basse température, en pulvérisant des électrons d’une ampoule sur le solide et en y piégeant un seul électron.

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

Une qualité importante des qubits est leur capacité à rester simultanément dans un état 0 ou 1 pendant une longue période, appelée temps de cohérence. Ce temps est limité et la limite est déterminée par la manière dont les qubits interagissent avec leur environnement. Des défauts dans le système qubit peuvent réduire considérablement le temps de cohérence.

Pour cette raison, l’équipe a choisi de piéger un électron sur une surface de néon solide ultrapure dans le vide. Le néon est l’un des six éléments inertes, ce qui signifie qu’il ne réagit 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 Dafei Jin, scientifique d’Argonne et chercheur principal du projet.

En utilisant un résonateur supraconducteur à l’échelle d’une puce comme un four à micro-ondes miniature, l’équipe a pu manipuler les électrons piégés, leur permettant de lire et de stocker des informations à partir du qubit, le rendant ainsi utile pour une utilisation dans les futurs ordinateurs quantiques.

Des recherches antérieures utilisaient de l’hélium liquide comme support pour retenir les électrons. Ce matériau était facile à éliminer des défauts, mais les vibrations de la surface sans liquide pouvaient facilement perturber l’état des électrons et donc compromettre les performances du qubit.

Le néon solide offre un matériau avec peu de défauts qui ne vibre pas comme l’hélium liquide. Après avoir construit leur plate-forme, l’équipe a effectué des opérations qubit en temps réel en utilisant des photons micro-ondes sur un électron piégé et a caractérisé ses propriétés quantiques. Ces tests ont démontré que le néon solide fournissait un environnement robuste pour l’électron avec un bruit électrique très faible pour le perturber. Plus important encore, le qubit a atteint des temps de cohérence dans l’état quantique compétitifs avec d’autres qubits de pointe.

La simplicité de la plate-forme qubit devrait également se prêter à une fabrication simple et à faible coût, a déclaré Jin.

La promesse de l’informatique quantique réside dans la capacité de cette technologie de nouvelle génération à calculer certains problèmes beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. Les chercheurs visent à combiner de longs temps de cohérence avec la capacité de plusieurs qubits à se lier ensemble, ce que l’on appelle l’intrication. Les ordinateurs quantiques pourraient ainsi trouver les réponses à des problèmes qu’un ordinateur classique mettrait de nombreuses années à résoudre.

Considérons un problème où les chercheurs veulent trouver la configuration énergétique la plus basse d’une protéine composée de nombreux acides aminés. Ces acides aminés peuvent se replier de mille milliards de façons qu’aucun ordinateur classique n’a la mémoire nécessaire pour gérer. Avec l’informatique quantique, on peut utiliser des qubits intriqués pour créer une superposition de toutes les configurations de pliage offrant la possibilité de vérifier toutes les réponses possibles en même temps et de résoudre le problème plus efficacement.

Les chercheurs n’auraient qu’à faire un seul calcul, au lieu d’essayer des milliards de configurations possibles, a déclaré Guo.

L’équipe a publié ses découvertes dans un article de Nature intitulé Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform. En plus de Jin, les contributeurs d’Argonne incluent le premier auteur Xianjing Zhou, Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li et Ralu Divan. Les contributeurs de l’Université de Chicago étaient David Schuster et Brennan Dizdar. Les autres co-auteurs étaient Kater Murch de l’Université de Washington à St. Louis, Gerwin Koolstra du Lawrence Berkeley National Laboratory et Ge Yang du Massachusetts Institute of Technology.

Le financement de la recherche sur l’Argonne provenait principalement du Bureau des sciences énergétiques fondamentales du DOE, du programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire d’Argonne et de la Fondation Julian Schwinger pour la recherche en physique. Guo est soutenu par la National Science Foundation et le National High Magnetic Field Laboratory.

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