Les chercheurs ont démontré comment faire fonctionner une porte quantique dans un assemblage où les impulsions de tension provoquent le déplacement des spins des électrons à proximité.
Il y a vingt ans, des chercheurs théoriques ont proposé une méthode pour protéger les qubits sensibles basés sur le spin de la désintégration causée par des entrées bruyantes. Il était destiné à chiffrer les informations dans les qubits en modifiant les états de spin des électrons à proximité. Plutôt que de faire tourner les spins comme c'est généralement le cas, cette procédure de commutation ne nécessitera plus d'énergie du système. Cette conception a maintenant été mise en œuvre dans une plate-forme à base de silicium à commande électrique par des chercheurs des laboratoires HRL en Californie. Leur prototype, qui a été présenté à la conférence APS de mars la semaine dernière, démontre une porte logique à faible erreur capable d'exécuter tout type d'opération de calcul quantique.
Changer le sens de rotation des Qubits
Un qubit est généralement un spin unique avec des états "0" ou "1" et diffère en énergie selon la façon dont le spin est aligné avec le champ magnétique appliqué. Les changements d'énergie dans le système peuvent être utilisés pour contrôler le qubit. Ceci est généralement accompli en irradiant le qubit avec des photons micro-ondes à une fréquence correspondant à la division du niveau d'énergie du qubit. En réponse à cela, le spin du qubit change de direction et agit comme un interrupteur marche-arrêt. Le qubit a tendance à perdre son information quantique en raison de petites inhomogénéités (bruit) dans le rayonnement micro-onde ou le champ magnétique. Cette approche est bien connue, mais souffre de problèmes de décohérence.
En revanche, la méthode de l'équipe donne un qubit basé sur le spin avec la même énergie dans les états "0" et "1". Ici, les états du qubit indiquent si les fonctions d'onde de spin des spins des deux électrons du qubit sont symétriques ("1") ou antisymétriques ("0"). Les impulsions de tension qui "changent" leur direction sans aligner les spins proches dans une direction particulière permettent de contrôler ces états. Lorsque les deux fonctions d'onde sont symétriques, rien ne change avec ces échanges économes en énergie, mais lorsque les fonctions d'onde sont antisymétriques, elles ajoutent une phase quantique de -1. Mais ces échanges sont essentiellement des échanges partiels ; l'impulsion de tension est réglée pour permettre à l'échange de se produire, mais il est possible que ce ne soit pas le cas.
« L'échange partiel est une opération quantique qui nous laisse dans une superposition « échangé » et « non échangé » », explique Thaddeus Ladd, membre de l'équipe HRL. Lui et son équipe encodent des informations dans une collection de spins d'électrons à travers une série complexe d'échanges partiels.
Pour l'expérience, l'équipe HRL a créé deux qubits différents à partir de six points quantiques de silicium. L'électron unique piégé par chaque point interagit avec les spins qui l'entourent via des impulsions de tension envoyées aux grilles métalliques. Les chercheurs ont effectué deux opérations quantiques, CNOT et SWAP, avec deux qubits. Cela nécessitait des milliers d'impulsions de tension soigneusement régulées pour s'allumer et s'éteindre cent millions de fois par seconde dans des séquences complexes d'échanges partiels sur six tours.
Ces procédures ont de faibles erreurs mesurées, comme en témoigne une « précision » d'environ 97 %. "Avec une bonne dose de mathématiques, on peut montrer que cette [technique] basée sur le déplacement partiel des spins est suffisante pour effectuer n'importe quelle opération quantique sur un ensemble d'états souhaité et contraint composé de nombreux spins", ajoute Ladd.
Par rapport aux qubits à spin unique conventionnels, cette méthode présente deux avantages importants. Deuxièmement, il élimine le besoin de diverses intégrations matérielles pour réguler les champs magnétiques et les désalignements de phase. Il empêche également la diaphonie causée par l'entrée des micro-ondes. Ces avantages réduisent les sources d'erreurs microscopiques et améliorent la qualité du contrôle des qubits.
À son tour, chaque opération fondamentale nécessite une série longue et complexe d'impulsions, et chaque qubit nécessite trois points quantiques pour produire un seul qubit. Selon Ladd, la construction du matériel et des logiciels de l'appareil n'était pas une tâche simple.
Les chercheurs ont utilisé une méthode sur laquelle ils travaillent appelée SLEDGE pour créer leur nouveau dispositif à six points (une électrode de grille définie par gravure monocouche). Ce système utilise un faisceau d'électrons pour modeler les grilles en forme de points sur un plan, puis relie les grilles avec des pointes métalliques. Le nouvel équipement du laboratoire a impressionné la physicienne quantique Andrea Morello de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud en Australie.
Selon Morello, les chercheurs ont pu créer des points quantiques avec une précision et une répétabilité telles que même un système complexe à six points présentait un comportement cohérent grâce aux capacités de fabrication de dispositifs de pointe de HRL.
Ladd déclare que cette technique ne permettra pas un calcul quantique efficace tant que des millions de qubits ne communiqueront pas entre eux. Bien que la preuve de concept de HRL élimine de nombreux problèmes liés au contrôle des micro-ondes, il reste encore des défis, tels que le maintien du système au frais et la garantie de l'homogénéité des motifs de points quantiques gravés, qui deviendront plus difficiles à mesure que de nouveaux qubits seront ajoutés. "Je ne dis pas que notre conception de qubit est la conception la plus grande, la plus rapide ou la plus intelligente.
Mais je pense que c'est l'un des plus intéressants, en partie parce qu'il est lié à la question fondamentale du calcul, à savoir si un apport d'énergie est nécessaire pour effectuer un calcul », déclare Ladd.
Morello soutient que la stratégie d'échange nécessitera des ajustements importants dans la manière dont les qubits sont généralement utilisés, mais il pense que l'élimination du besoin de signaux micro-ondes pourrait créer une situation "difficile" dans laquelle le contrôle des qubits pourrait être facilité. Il affirme que l'extension du processeur quantique à encore plus de qubits révélera à l'avenir si cette décision audacieuse fonctionne.
Source : physics.aps.org/articles/v16/46
Günceleme: 19/03/2023 13:05