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

La recherche dirigée par l’UNSW à Sydney ouvre la voie à de grands processeurs quantiques à base de silicium pour la fabrication et l’application dans le monde réel.

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 dans La nature montre que nos opérations étaient à 99 % sans erreur », déclare le professeur Andrea Morello de l’UNSW, qui a dirigé les travaux.

« Lorsque les erreurs sont si rares, il devient possible de les détecter et de les corriger lorsqu’elles se produisent. 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. »

Cette recherche est une étape importante du voyage qui nous y mènera », déclare le professeur Morello.

L’informatique quantique dans le silicium franchit le seuil des 99 %

L’article de Morello est l’un des trois publiés aujourd’hui dans La nature qui confirment indépendamment que l’informatique quantique robuste et fiable dans le silicium est désormais une réalité. Cette percée figure sur la couverture du journal.

• Morello et al ont atteint des fidélités de fonctionnement à 1 qubit jusqu’à 99,95 % et une fidélité à 2 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 1 qubit et 99,65 % à 2 qubit en utilisant des spins électroniques dans des points quantiques formés dans un empilement de silicium et d’alliage silicium-germanium (Si/SiGe).
• Une équipe RIKEN au Japon dirigée par Seigo Tarucha a également atteint des fidélités de 99,84 % à 1 qubit et de 99,51 % à 2 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 par ensemble de portes, développée aux Sandia National Laboratories aux États-Unis et mise à la disposition de la communauté des chercheurs.

Morello avait précédemment démontré qu’il pouvait conserver des informations quantiques 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, 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.

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 le Dr Mateusz Mdzik, 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 enchevêtrez avec l’électron, l’électron peut alors être déplacé vers un autre endroit et enchevêtré avec d’autres noyaux qubits plus loin, ouvrant la voie à la création de grands réseaux de qubits capables de robustesse et calculs utiles. »

David Jamieson, directeur de recherche à l’Université de Melbourne, ajoute : « Les atomes de phosphore ont été introduits dans la puce de silicium en utilisant l’implantation ionique, la même méthode utilisée dans toutes les puces informatiques en silicium existantes. Cela garantit que notre percée quantique est compatible avec le semi-conducteur plus large. industrie. »

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 a lieu dans l’ordinateur quantique. Le professeur Morello explique : « Vous avez généralement besoin de taux d’erreur inférieurs à 1 % pour appliquer des protocoles de correction d’erreurs quantiques. 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.