De minuscules matériaux mènent à une grande avancée dans l’informatique quantique

Comme les transistors d’un ordinateur classique, les qubits supraconducteurs sont les éléments constitutifs d’un ordinateur quantique. Alors que les ingénieurs ont pu réduire les transistors à des échelles nanométriques, les qubits supraconducteurs sont toujours mesurés en millimètres. C’est l’une des raisons pour lesquelles un appareil informatique quantique pratique ne pourrait pas être miniaturisé à la taille d’un smartphone, par exemple.

Les chercheurs du MIT ont maintenant utilisé des matériaux ultrafins pour construire des qubits supraconducteurs qui sont au moins un centième de la taille des conceptions conventionnelles et souffrent de moins d’interférences entre les qubits voisins. Cette avancée pourrait améliorer les performances des ordinateurs quantiques et permettre le développement de dispositifs quantiques plus petits.

Les chercheurs ont démontré que le nitrure de bore hexagonal, un matériau constitué de seulement quelques monocouches d’atomes, peut être empilé pour former l’isolant dans les condensateurs d’un qubit supraconducteur. Ce matériau sans défaut permet des condensateurs beaucoup plus petits que ceux généralement utilisés dans un qubit, ce qui réduit son empreinte sans sacrifier de manière significative les performances.

De plus, les chercheurs montrent que la structure de ces condensateurs plus petits devrait réduire considérablement la diaphonie, qui se produit lorsqu’un qubit affecte involontairement les qubits environnants.

À l’heure actuelle, nous pouvons avoir peut-être 50 ou 100 qubits dans un appareil, mais pour une utilisation pratique à l’avenir, nous aurons besoin de milliers ou de millions de qubits dans un appareil. Il sera donc très important de miniaturiser la taille de chaque qubit individuel et en même temps d’éviter la diaphonie indésirable entre ces centaines de milliers de qubits. C’est l’un des rares matériaux que nous ayons trouvés qui puisse être utilisé dans ce type de construction, déclare le co-auteur principal Joel Wang, chercheur au sein du groupe Engineering Quantum Systems du MIT Research Laboratory for Electronics.

Le co-auteur principal de Wang est Megan Yamoah 20 ans, une ancienne étudiante du groupe Engineering Quantum Systems qui étudie actuellement à l’Université d’Oxford grâce à une bourse Rhodes. Pablo Jarillo-Herrero, professeur de physique Cecil et Ida Green, est un auteur correspondant, et l’auteur principal est William D. Oliver, professeur de génie électrique, d’informatique et de physique, boursier du MIT Lincoln Laboratory, directeur du Center for Quantum Engineering, et directeur associé du Laboratoire de recherche en électronique. La recherche est publiée aujourd’hui dans Matériaux naturels.

Qubit dilemmes

Les qubits supraconducteurs, un type particulier de plate-forme informatique quantique qui utilise des circuits supraconducteurs, contiennent des inductances et des condensateurs. Tout comme dans une radio ou un autre appareil électronique, ces condensateurs stockent l’énergie du champ électrique. Un condensateur est souvent construit comme un sandwich, avec des plaques métalliques de chaque côté d’un matériau isolant ou diélectrique.

Mais contrairement à une radio, les ordinateurs quantiques supraconducteurs fonctionnent à des températures super froides inférieures à 0,02 degré au-dessus du zéro absolu (-273,15 degrés Celsius) et ont des champs électriques à très haute fréquence, similaires aux téléphones portables d’aujourd’hui. La plupart des matériaux isolants qui fonctionnent dans ce régime présentent des défauts. Bien que cela ne nuise pas à la plupart des applications classiques, lorsque des informations cohérentes quantiques traversent la couche diélectrique, elles peuvent être perdues ou absorbées de manière aléatoire.

Les diélectriques les plus courants utilisés pour les circuits intégrés, tels que les oxydes de silicium ou les nitrures de silicium, présentent de nombreux défauts, ce qui entraîne des facteurs de qualité d’environ 500 à 1 000. C’est tout simplement trop coûteux pour les applications d’informatique quantique, dit Oliver.

Pour contourner ce problème, les condensateurs qubit conventionnels ressemblent davantage à des sandwichs à face ouverte, sans plaque supérieure et un vide placé au-dessus de la plaque inférieure pour agir comme couche isolante.

Le prix à payer est que les plaques sont beaucoup plus grandes parce que vous diluez le champ électrique et utilisez une couche beaucoup plus grande pour le vide, dit Wang. La taille de chaque qubit individuel sera beaucoup plus grande que si vous pouviez tout contenir dans un petit appareil. Et l’autre problème est que lorsque vous avez deux qubits l’un à côté de l’autre et que chaque qubit a son propre champ électrique ouvert sur l’espace libre, il peut y avoir des conversations indésirables entre eux, ce qui peut rendre difficile le contrôle d’un seul qubit. On aimerait revenir à l’idée très originale d’un condensateur, qui n’est que deux plaques électriques avec un isolant très propre pris en sandwich entre les deux.

Donc, c’est ce que ces chercheurs ont fait.

Ils pensaient que le nitrure de bore hexagonal, qui appartient à une famille connue sous le nom de matériaux van der Waals (également appelés matériaux 2D), serait un bon candidat pour construire un condensateur. Ce matériau unique peut être aminci en une couche d’atomes de structure cristalline et ne contenant pas de défauts. Les chercheurs peuvent ensuite empiler ces couches minces dans les configurations souhaitées.

Pour tester le nitrure de bore hexagonal, ils ont mené des expériences pour caractériser la propreté du matériau lorsqu’il interagit avec un champ électrique à haute fréquence à des températures ultra-froides, et ont constaté que très peu d’énergie est perdue lorsqu’il traverse le matériau.

Une grande partie des travaux antérieurs caractérisant hBN (nitrure de bore hexagonal) a été réalisée à ou près de la fréquence zéro en utilisant des mesures de transport DC. Cependant, les qubits fonctionnent dans le régime du gigahertz. C’est formidable de voir que les condensateurs hBN ont des facteurs de qualité supérieurs à 100 000 à ces fréquences, parmi les Q les plus élevés que j’ai vus pour les condensateurs à plaques parallèles intégrés définis par lithographie, dit Oliver.

Condensateur

Ils ont utilisé du nitrure de bore hexagonal pour construire un condensateur à plaques parallèles pour un qubit. Pour fabriquer le condensateur, ils ont pris en sandwich du nitrure de bore hexagonal entre de très fines couches d’un autre matériau de van der Waals, le diséléniure de niobium.

Le processus de fabrication complexe impliquait de préparer des couches de matériaux d’une épaisseur d’un atome sous un microscope, puis d’utiliser un polymère collant pour saisir chaque couche et l’empiler les unes sur les autres. Ils ont placé le polymère collant, avec la pile de matériaux 2D, sur le circuit qubit, puis ont fait fondre le polymère et l’ont emporté.

Ensuite, ils ont connecté le condensateur à la structure existante et refroidi le qubit à 20 millikelvins (-273,13 C).

L’un des plus grands défis du processus de fabrication est de travailler avec du diséléniure de niobium, qui s’oxydera en quelques secondes s’il est exposé à l’air. Pour éviter cela, tout l’assemblage de cette structure doit se faire dans ce qu’on appelle la boîte à gants, qui est une grosse boîte remplie d’argon, qui est un gaz inerte qui contient très peu d’oxygène. Nous devons tout faire à l’intérieur de cette boîte, dit Wang.

Le qubit résultant est environ 100 fois plus petit que ce qu’ils ont fait avec des techniques traditionnelles sur la même puce. Le temps de cohérence, ou durée de vie, du qubit n’est plus court que de quelques microsecondes avec leur nouveau design. Et les condensateurs construits avec du nitrure de bore hexagonal contiennent plus de 90% du champ électrique entre les plaques supérieure et inférieure, ce qui suggère qu’ils supprimeront considérablement la diaphonie entre les qubits voisins, explique Wang. Ce travail est complémentaire aux recherches récentes d’une équipe de l’Université de Columbia et de Raytheon.

À l’avenir, les chercheurs souhaitent utiliser cette méthode pour construire de nombreux qubits sur une puce afin de vérifier que leur technique réduit la diaphonie. Ils souhaitent également améliorer les performances du qubit en affinant le processus de fabrication, voire en construisant l’intégralité du qubit à partir de matériaux 2D.

Nous avons maintenant ouvert la voie pour montrer que vous pouvez utiliser en toute sécurité autant de nitrure de bore hexagonal que vous le souhaitez sans trop vous soucier des défauts. Cela ouvre de nombreuses possibilités où vous pouvez créer toutes sortes d’hétérostructures différentes et les combiner avec un circuit micro-ondes, et il y a beaucoup plus de place que vous pouvez explorer. D’une certaine manière, nous donnons aux gens le feu vert pour qu’ils puissent utiliser ce matériau comme bon leur semble sans trop se soucier de la perte associée au diélectrique, dit Wang.

Cette recherche a été financée, en partie, par le US Army Research Office, la National Science Foundation et le secrétaire adjoint à la Défense pour la recherche et l’ingénierie via le MIT Lincoln Laboratory.