150 000 qubits créés sur une puce de silicium : la première détection optique d'un seul spin apparaît dans Nature

Les ordinateurs quantiques peuvent théoriquement résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre avant des milliards d'années, mais seulement s'ils disposent de suffisamment de qubits. Récemment, des chercheurs de l'Université Simon Fraser ont créé plus de 150 000 qubits à base de silicium sur une seule puce. Ils devraient être connectés à la lumière, contribuant ainsi à créer de puissants ordinateurs quantiques connectés à l'Internet quantique.

L'article connexe "Optical Observation of Single Spins in Silicon" a été publié dans le dernier numéro du magazine "Nature".

Adresse papier : https://www.nature.com/articles/s41586-022-04821-y

L'un des meilleurs qubits naturels de la nature : le spin du silicium

Nous le savons que les ordinateurs classiques représentent les données comme 1 ou 0 en activant ou désactivant les transistors. En revanche, les ordinateurs quantiques utilisent des qubits. Et, en raison de la nature surréaliste de la physique quantique, les qubits peuvent exister dans des états de superposition, dans lesquels ils représentent essentiellement 1 et 0 simultanément. Ce phénomène permet à chaque qubit d'effectuer deux calculs simultanément. Dans un ordinateur quantique, plus les qubits sont connectés ou intriqués, plus la puissance de calcul augmente de façon exponentielle.

Actuellement, les ordinateurs quantiques sont des plates-formes quantiques bruyantes à échelle intermédiaire (NISQ), ce qui signifie que le nombre de qubits qu'ils contiennent peut atteindre plusieurs centaines. Mais pour s’avérer utiles dans des applications pratiques, les futurs ordinateurs quantiques pourraient avoir besoin de milliers de qubits pour aider à annuler les erreurs.

Dans le même temps, de nombreux types différents de qubits sont développés, tels que les circuits supraconducteurs, les ions électromagnétiques piégés et le néon gelé. Dans cette étude, les chercheurs ont découvert que les qubits de spin en silicium pourraient avoir de bonnes perspectives de développement dans le domaine de l'informatique quantique.

Stephanie Simmons, l'une des co-auteures de l'article et ingénieure quantique et professeure agrégée à l'Université Simon Fraser, a déclaré : "Le spin du silicium est l'un des meilleurs qubits naturels de la nature

." Stephanie Simmons

Le spin dans un qubit de spin est le moment cinétique d'une particule (comme un électron ou un noyau atomique) qui peut pointer vers le haut ou vers le bas de la même manière qu'une boussole pointant vers le nord ou le sud. Les qubits de spin peuvent exister dans un état de superposition positionné simultanément de manière bidirectionnelle.

Les qubits de spin en silicium sont parmi les qubits les plus stables jamais créés. Cette technologie a progressé rapidement en théorie, soutenue par des décennies de travail de développement par l'industrie mondiale des semi-conducteurs. Jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient mesuré que des spins uniques dans les électrons du silicium. Cela signifie que la seule façon d’enchevêtrer les spins est électromagnétique, et cela doit être fait avec des qubits très proches les uns des autres, ce qui est difficile à mettre à l’échelle d’un point de vue technique.

Des chercheurs de l'Université Simon Fraser ont détecté optiquement un seul spin dans un qubit de silicium pour la première fois. Simmons pense que ce type d’accès optique aux qubits de spin pourrait un jour utiliser la lumière pour enchevêtrer les qubits les uns avec les autres sur une puce.

Le nouveau qubit de spin est basé sur des centres de dommages causés par les radiations, qui sont des défauts internes du silicium créés par implantation ionique ou rayonnement électronique à haute énergie. Plus précisément, on peut les appeler centres T, chacun étant constitué de deux atomes de carbone, d'un atome d'hydrogène et d'un électron non apparié.

Chaque centre T possède un spin électronique non apparié et un spin nucléaire hydrogène, chacun pouvant servir de qubit. Parmi eux, le spin électronique peut rester cohérent ou stable pendant plus de 2 millisecondes, et le spin nucléaire de l'hydrogène peut rester cohérent pendant 1,1 seconde. La longue durée de vie de ce qubit de spin en silicium est déjà compétitive.

Un centre unique en silicium

Les chercheurs ont imprimé 150 000 points appelés « micropucks » sur des puces photoniques intégrées au silicium isolant, conformes aux normes de l'industrie commerciale. La largeur de chaque microdisque varie de 0,5 à 2,2 microns, et ils ont tous un centre en T moyen.

Sous le microscope : Des milliers de réseaux de micro-disques

Sous l'influence d'un champ magnétique, l'état des qubits de spin de chaque centre T a une énergie légèrement différente, et chacun émet Différentes longueurs d'onde de lumière. Cela permet aux scientifiques de détecter l’état du qubit de spin du centre T grâce à la détection optique.

Centre T intégré et couplé optiquement

La longueur d'onde émise par le qubit de spin est dans la bande O proche infrarouge (1260 à 1360 nm). Cela signifie que les qubits de spin peuvent se connecter à d’autres qubits en émettant de la lumière, souvent utilisée dans les réseaux de télécommunications, pour travailler ensemble au sein des processeurs quantiques et aider les ordinateurs quantiques à coopérer sur l’Internet quantique.

De plus, « les qubits de spin électronique et nucléaire peuvent fonctionner ensemble – le spin nucléaire comme qubit de mémoire à longue durée de vie et le spin électronique comme qubit de communication optiquement couplé, et les champs micro-ondes peuvent être utilisés pour échanger des informations entre eux », a déclaré Simmons. . "Aucun autre système quantique physique ne peut relier directement une mémoire quantique haute performance à des photons longue distance et démontrer de telles perspectives commerciales. Les puces en silicium constituent la meilleure plate-forme pour la microélectronique moderne et la photonique intégrée." connaissaient déjà l’existence des centres T dans les années 1970. "Je ne sais pas pourquoi nous avons été le premier groupe à commencer à travailler sur les centres T en tant que qubits sur des puces en silicium", a déclaré Simmons. "Il est possible que les chercheurs pensent que les qubits de lumière de spin contenus dans les puces de silicium ne peuvent pas rivaliser avec les candidats présents dans d'autres matériaux tels que le diamant et le carbure de silicium. C'est un mystère pour nous

Mais les recherches actuelles ouvrent de nouvelles perspectives." "Nous sommes très enthousiasmés par l'évolutivité fondamentale de ces qubits", a déclaré Simmons. "Il devient un nouveau venu dans la course internationale à l'informatique quantique, et nous pensons que l'avenir est très prometteur."

Bien que les chercheurs aient créé de nombreux qubits dans cette nouvelle étude, "ceux-ci n'ont pas encore été connectés à un ordinateur quantique fonctionnel." ", a ajouté Simmons. "L'accès optique à ces spins rendra le câblage plus facile que de nombreuses autres méthodes, mais la technologie est encore jeune et il reste encore beaucoup de travail à faire

."

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