Tony Melov / UNSW
Au cours des dernières années, la grande question de l’informatique quantique est passée de « pouvons-nous faire fonctionner cela? » à « pouvons-nous mettre cela à l’échelle? » Ce n’est plus une nouveauté lorsqu’un algorithme est exécuté sur un petit ordinateur quantique – nous l’avons fait avec un certain nombre de technologies différentes. La grande question maintenant : quand pouvons-nous exécuter un problème utile sur du matériel quantique qui surpasse clairement un ordinateur traditionnel ?
Pour cela, nous avons encore besoin de plus de qubits. Et pour surpasser constamment les ordinateurs classiques sur des problèmes compliqués, nous aurons besoin de suffisamment de qubits pour effectuer la correction des erreurs. Cela signifie des milliers de qubits. Ainsi, bien qu’il existe actuellement un leader technologique clair dans le nombre de qubits (qubits supraconducteurs appelés transmons), il y a toujours une chance qu’une autre technologie finisse par mieux évoluer.
Cette possibilité est ce qui rend intéressants plusieurs résultats publiés aujourd’hui. S’il existe des différences entre les trois résultats annoncés, ils ont tous un point commun : des qubits de haute qualité produits en silicium. Après tout, s’il y a quelque chose que nous savons faire évoluer, ce sont les technologies à base de silicium.
Problèmes de qualité
L’idée de fabriquer des qubits à partir de silicium a une certaine histoire, et nous avons fait des progrès avec la technologie dans le passé. En effet, la fabrication de qubits à partir de silicium est relativement facile lorsque l’on utilise des techniques développées pour l’industrie des semi-conducteurs. Par exemple, la contamination intentionnelle appelée « dopage » qui est utilisée pour modifier les propriétés du silicium pourrait également être utilisée pour incorporer des atomes qui peuvent agir comme des qubits. De même, notre capacité à placer un câblage sur du silicium peut être utilisée pour créer des structures qui créent des points quantiques où un électron individuel peut être contrôlé.
La meilleure partie est que ces approches nécessitent très peu d’espace pour être mises en œuvre, ce qui signifie que nous pourrions potentiellement presser beaucoup de qubits sur une seule puce de silicium. C’est un grand contraste avec les technologies alternatives comme les transmons et les ions piégés, qui sont tous deux suffisamment volumineux pour que les entreprises qui travaillent avec eux parlent déjà (ou même mettent en œuvre) de répartir les processeurs sur plusieurs puces.
Jusqu’à présent, le problème était que les qubits à base de silicium étaient plutôt sujets aux erreurs. En fin de compte, nous voulons utiliser des groupes de ces qubits individuels comme un seul qubit logique qui implémente la correction d’erreurs. Mais si des erreurs se produisent plus rapidement qu’elles ne peuvent être corrigées, cela ne sera pas possible. Et jusqu’à présent, les qubits à base de silicium sont définitivement du mauvais côté de ce seuil d’erreur.
Points de haute qualité
Deux articles adoptent une approche similaire pour améliorer les performances des qubits basés sur des points quantiques. L’un provient d’un groupe de chercheurs basé à l’Université de technologie de Delft, et l’autre provient principalement du RIKEN au Japon, avec quelques collaborateurs à Delft. Les deux groupes ont utilisé du silicium avec un câblage dessus pour créer un point quantique qui a piégé un seul électron. Le spin de l’électron piégé a été utilisé comme base pour le qubit. Et les deux groupes ont adopté une approche similaire, testant leur porte dans un large éventail de conditions pour identifier celles qui avaient tendance à produire des erreurs, puis exploitant le qubit de manière à éviter ces erreurs.
Dans les travaux de Delft, l’enchevêtrement des deux qubits a été réalisé en manipulant les points quantiques de sorte que les fonctions d’onde des électrons piégés se chevauchent. Après avoir optimisé l’utilisation du matériel, les chercheurs ont découvert que les opérations de porte à un seul qubit et à deux qubits avaient un taux de fidélité de plus de 99,5 %. C’est au-dessus du seuil nécessaire pour faire fonctionner la forme de correction d’erreur quantique la plus couramment considérée.
Pour montrer que les qubits sont réellement utiles, les chercheurs utilisent leur configuration à deux qubits pour calculer l’énergie de l’état fondamental de l’hydrogène moléculaire. Ce calcul est relativement facile à faire sur du matériel classique, les résultats peuvent donc être vérifiés.
Le groupe RIKEN a fait quelque chose de similaire et a généralement constaté que l’accélération des opérations avait un effet majeur sur les taux d’erreur. Encore une fois, la gestion de ce problème a produit des portes avec une fidélité de 99,5 %, bien au-dessus du seuil nécessaire à la correction des erreurs. Pour montrer que les portes fonctionnaient, l’équipe a mis en œuvre quelques algorithmes d’informatique quantique et a montré qu’ils avaient été complétés avec un taux de réussite d’environ 97 %.