Une équipe de chercheurs de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) à Sydney a réalisé une percée dans les temps de cohérence des qubits de spin (s’ouvre dans un nouvel onglet). La recherche a profité des travaux antérieurs de l’équipe sur les qubits dits « habillés », c’est-à-dire des qubits constamment sous l’effet d’un champ électromagnétique les protégeant des interférences. De plus, les chercheurs ont exploité un protocole nouvellement conçu, SMART, (s’ouvre dans un nouvel onglet) qui tire parti des temps de cohérence accrus pour permettre aux qubits individuels d’être cajolés en toute sécurité pour effectuer les calculs requis.
Les améliorations ont permis aux chercheurs d’enregistrer des temps de cohérence allant jusqu’à deux millisecondes – plus de cent fois plus élevés que les méthodes de contrôle similaires dans le passé, mais encore loin du temps que vos paupières mettent à cligner des yeux.
Il existe plusieurs façons d’augmenter la puissance de calcul disponible pour un système quantique (s’ouvre dans un nouvel onglet). L’augmentation du nombre de qubits – qui peut être considéré comme semblable aux transistors classiques – en est un. Outre l’augmentation du nombre de qubits adressables dans un système donné, il importe également de savoir si les résultats fournis par ces qubits sont corrects (pour lesquels plusieurs implémentations de correction d’erreurs sont en cours de développement). Une autre façon d’améliorer les performances consiste à augmenter le nombre de fois où les qubits peuvent conserver leurs informations avant la décohérence – le moment où l’état des qubits s’effondre, entraînant la perte de toutes les informations qu’ils contiennent. Dans le cas des qubits de spin, chaque fois que l’électron arrête de tourner, c’est le glas de l’état des qubits.
« Un temps de cohérence plus long signifie que vous avez plus de temps pendant lequel vos informations quantiques sont stockées – ce qui est exactement ce dont vous avez besoin lorsque vous effectuez des opérations quantiques », a déclaré Ph.D. l’étudiante Amanda Seedhouse, dont les travaux en informatique quantique théorique ont contribué à la réalisation. « Le temps de cohérence vous indique essentiellement combien de temps vous pouvez effectuer toutes les opérations dans n’importe quel algorithme ou séquence que vous voulez faire avant de perdre toutes les informations de vos qubits », a poursuivi Amanda.
Le protocole SMART (Sinusoidally Modulated, Always Rotating and Tailored) des chercheurs vise à améliorer les temps de cohérence en réduisant les interférences introduites dans l’environnement d’un qubit – tout en permettant un contrôle précis de chaque qubit.
Une façon d’interagir avec les qubits de spin en silicium est de les soumettre à des champs de micro-ondes, mais cela s’est avéré être une méthode éprouvante : un émetteur de micro-ondes a traditionnellement été nécessaire pour contrôler chacun des qubits de travail. Pourtant, le fait de maintenir autant de champs magnétiques basés sur les micro-ondes travaillant dans le domaine quantique – parallèlement à la consommation d’énergie à l’échelle et à la dissipation thermique accrue de la multitude d’antennes – tend à augmenter le bruit environnemental. Et un bruit environnemental plus élevé augmente les chances qu’une décohérence de qubit se produise. De plus, les tentatives des scientifiques pour accroître le contrôle sur les états des qubits ont fonctionné contre les temps de cohérence.
Tout cela serait prohibitif par rapport aux exigences de l’informatique quantique à grande échelle, qui devrait nécessiter des millions de qubits travaillant harmonieusement vers un objectif de calcul final.
À l’aide d’un résonateur diélectrique, les chercheurs ont montré que l’intégralité du champ qubit pouvait être contrôlée à l’aide d’une seule antenne à la place. (s’ouvre dans un nouvel onglet). L’antenne, censée gérer simultanément des millions de qubits, fonctionne en maintenant le spin de l’électron – la propriété quantique dont les qubits de silicium tirent une partie de leur charme. Un autre élément est que les qubits en silicium pourraient éventuellement tirer parti de l’expertise de plusieurs décennies des fabricants de silicium pour obtenir les meilleures performances et les meilleurs rendements de fabrication de ce matériau.
Mais s’il est essentiel de maintenir l’ensemble des états de spin des champs de qubit (s’ouvre dans un nouvel onglet) (afin qu’ils ne décohèrent pas), des calculs précis nécessiteront toujours que les qubits soient manipulés individuellement. Par exemple, si des changements dans le champ micro-ondes affectent tous les qubits de la même manière, il n’y aurait pas grand-chose pour contrôler les informations que représente chaque qubit de spin.
Les chercheurs ont conçu et adopté le protocole SMART pour interagir plus facilement avec les états qubit. Grâce à cela, ils pouvaient manipuler les qubits de spin pour basculer d’avant en arrière au lieu de tourner en rond. Comme le pendule d’une horloge grand-père, chaque qubit était amené à aller et venir. En interagissant avec le balancement de chaque qubit à travers un champ électrique, les qubits ont été mis hors résonance tout en maintenant leur rythme, permettant aux chercheurs de les faire osciller à des rythmes différents par rapport à leurs voisins (l’un « montant » tandis que l’autre « descendait ». ”).
« Pensez-y comme à deux enfants sur une balançoire qui avancent et reculent à peu près de manière synchronisée », explique Mme Seedhouse. « Si nous donnons un coup de pouce à l’un d’entre eux, nous pouvons les amener à atteindre la fin de leur arc aux extrémités opposées, de sorte que l’un peut être un 0 quand l’autre est maintenant un 1. »
Les efforts des chercheurs de l’UNSW ont montré que des groupes de qubits peuvent être contrôlés par une seule source magnétique basée sur les micro-ondes. En revanche, l’application d’un champ magnétique contrôlé électroniquement peut mieux contrôler les qubits individuels. Selon les chercheurs, le protocole SMART exploite une voie potentielle pour les ordinateurs quantiques à grande échelle.
« Nous avons montré un moyen simple et élégant de contrôler tous les qubits à la fois, qui s’accompagne également de meilleures performances », déclare le Dr Henry Yang. (s’ouvre dans un nouvel onglet)l’un des principaux chercheurs de l’équipe.