Nature publie des avancées majeures en informatique quantique : la toute première implémentation de circuit intégré quantique

Le 23 juin, la société australienne d’informatique quantique SQC (Silicon Quantum Computing) a annoncé le lancement du premier circuit intégré quantique au monde. Il s’agit d’un circuit qui contient tous les composants de base d’une puce informatique classique, mais à une échelle quantique.

L'équipe SQC a utilisé ce processeur quantique pour simuler avec précision l'état quantique d'une molécule organique de polyacétylène, démontrant ainsi l'efficacité de la nouvelle technique de modélisation du système quantique.

"Il s'agit d'une avancée majeure", a déclaré la fondatrice de SQC, Michelle Simmons. Les ordinateurs classiques d'aujourd'hui ont du mal à simuler même des molécules relativement petites en raison du grand nombre d'interactions possibles entre les atomes. Le développement de la technologie des circuits à l'échelle atomique de SQC permettra à l'entreprise et à ses clients de construire des modèles quantiques d'une gamme de nouveaux matériaux, qu'il s'agisse de médicaments, de matériaux pour batteries ou de catalyseurs. Il ne faudra pas longtemps avant que nous commencions à réaliser de nouveaux matériaux qui n’existaient jamais auparavant. "

Les résultats de la recherche ont été publiés dans le nouveau numéro du magazine "Nature".

Lien papier : https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0

Répliquer un ordinateur classique au niveau quantique

est comme un processus normal (classique) ), les ordinateurs quantiques utilisent des transistors pour coder les informations. Mais contrairement aux ordinateurs classiques, les transistors des ordinateurs quantiques sont à l’échelle quantique – aussi petite que la taille d’un atome. Les ordinateurs classiques utilisent les bits 0 et 1, tandis que les transistors quantiques utilisent 0, 1 ou un mélange de 0 et 1 pour coder les informations quantiques.

Les ingénieurs peuvent utiliser les effets quantiques des transistors à un seul atome pour effectuer des calculs. Mais dans le monde quantique, les choses ne sont pas si simples.

Dans le monde quantique, les particules existent sous la forme d'« états de superposition » : leur position, leur élan et d'autres propriétés physiques ne sont pas définis par des valeurs uniques, mais sont représentés par des probabilités. Grâce à la superposition, les qubits peuvent stocker des données informatiques multidimensionnelles beaucoup plus complexes que les bits ordinaires.

Par conséquent, les ordinateurs quantiques devraient être des milliers, voire des millions de fois, plus rapides que les ordinateurs classiques et effectuer des calculs beaucoup plus efficacement que même les ordinateurs classiques les plus puissants.

Cependant, ils ont d'autres caractéristiques magiques.

Lorsque l'état de superposition s'étend à plusieurs systèmes ou atomes, vous obtiendrez un « état intriqué », c'est-à-dire que les qubits sont liés les uns aux autres. Lorsque les qubits s’entremêlent, leurs modifications s’influencent mutuellement. Cet effet quantique devrait trouver des applications dans le domaine du chiffrement.

Mais en même temps, cet effet pose également des problèmes aux scientifiques dans la création d'ordinateurs quantiques utilisables.

En fin de compte, la nature probabiliste des systèmes quantiques signifie qu’ils sont très sujets aux erreurs. Par conséquent, un défi majeur dans la création de machines quantiques est de les rendre cohérentes afin de réduire le bruit dans le signal. C’est ce problème que l’équipe SQC pense avoir résolu.

"Pour créer un ordinateur quantique, nous devons travailler à l'échelle atomique afin de pouvoir toucher les états quantiques et les rendre cohérents et rapides.", a déclaré Michelle Simmons, fondatrice de SQC et auteur correspondant de l'article.

Auteur correspondant de l'article Michelle Simmons

L'équipe de Simmons a construit le premier transistor à un seul atome au monde en 2012 et a créé le premier circuit intégré à l'échelle atomique en 2021. "Ce que nous envisageons, c'est le prochain appareil. Avant de pouvoir construire un ordinateur quantique que les gens peuvent utiliser, nous devons encore résoudre une sorte d'algorithme commercialement pertinent. Lorsque nous avons commencé, nous ne savions pas ce que nous allions faire. pour démontrer sur ce circuit. Quoi."

L'équipe a choisi le polyacétylène - une chaîne moléculaire à base de carbone avec la formule chimique (C2H2)n, où n signifie répétition.

Diagramme de structure du polyacétylène

Les atomes du polyacétylène sont maintenus ensemble par des liaisons covalentes. Une simple liaison signifie que deux atomes partagent un électron externe, et une double liaison signifie que deux électrons sont partagés. L'alternance de liaisons simples et doubles entre les atomes de carbone de la chaîne polyacétylène fait de cette molécule un objet d'étude intéressant en physico-chimie.

Le modèle Su-Schrieffer-Heeger (SSH) est une représentation bien connue de la théorie moléculaire qui utilise les interactions entre les atomes et leurs électrons pour expliquer les propriétés physiques et chimiques des composés. "Il s'agit d'un problème bien connu qui peut être résolu avec un ordinateur classique car il contient si peu d'atomes qu'un ordinateur classique peut gérer toutes les interactions", a déclaré Simmons. "Mais nous essayons maintenant de le résoudre avec un quantum. système."

Un modèle de boule et de bâton en polyacétylène montrant les liaisons simples et doubles entre les atomes de carbone (gris foncé) et les atomes d'hydrogène (gris clair)

Alors, comment la SQC a-t-elle L'équipe fait ce qu'elle a fait. Et si on simulait du polyacétylène sur un appareil quantique ?

«Nous laissons le processeur lui-même simuler les liaisons simples et doubles entre les atomes de carbone», explique Simmons. «Nous le concevons avec une précision inférieure au nanomètre pour essayer d'imiter les liaisons chimiques au sein d'un système de silicium. appelé simulateur analogique quantique. En utilisant des transistors atomiques dans la machine, les chercheurs ont simulé des liaisons covalentes dans le polyacétylène.

Selon la théorie SSH, il existe deux situations différentes dans le polyacétylène, appelées "états topologiques" - nommés "topologiques" en raison de leurs formes géométriques différentes.

Dans un état, vous pouvez couper le maillon d'une simple liaison carbone-carbone, vous avez donc une double liaison à la fin de la chaîne. Alternativement, vous pouvez couper la double liaison, laissant une liaison simple à la fin de la chaîne, qui sépare les atomes aux deux extrémités en raison de la distance plus longue de la liaison simple. Les deux états topologiques présentent des comportements complètement différents lorsque le courant électrique traverse la chaîne moléculaire.

C'est la théorie. "Lorsque nous construisons l'appareil, c'est exactement ce que nous voyons", a déclaré Simmons. "C'est donc très excitant

Le Dr Charles Hill, maître de conférences en informatique quantique à l'Université de Melbourne, est d'accord."

"L'un des scénarios d'application les plus prometteurs pour la technologie quantique est l'utilisation d'un système quantique pour simuler d'autres systèmes quantiques", a déclaré Hill. "Dans ce travail, les auteurs ont considéré une chaîne de dix points quantiques et les ont utilisés. pour simuler le modèle dit SSH. Il s'agit d'un projet remarquable. Le dispositif quantique utilisé pour cette démonstration ouvre la voie à la simulation de systèmes quantiques plus grands et plus complexes à l'avenir.

L'avantage de ce processus de production complexe, Selon Simmons, c'est que vous "ne créez pas un nouveau matériau que vous devez inventer et trouver comment fabriquer".

"Nous avons une précision atomique inférieure au nanomètre", a-t-elle ajouté. "Les atomes eux-mêmes sont dans la matrice de silicium, nous construisons donc le système à partir de matériaux déjà utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs." "Le tout. Il n'y a que deux types d'atomes dans l'appareil : le phosphore et le silicium. Nous nous sommes débarrassés de tous les autres éléments, de toutes les interfaces, des diélectriques, de tout ce qui pose problème dans d'autres architectures. C'est conceptuellement simple, mais évidemment difficile à réaliser. Sex. C'est un système beau, propre, physique et évolutif. "

"Le défi était de placer les atomes au bon endroit et vous savez qu'il est là. Le processus chimique qui amène les atomes de phosphore dans la matrice de silicium et la protège est appelé microscopie à effet tunnel (STM), un outil de photolithographie qui place la plaque de silicium sous vide. Après cela, l'équipe a d'abord chauffé le substrat à 1 100°. C puis refroidi progressivement jusqu'à environ 350°C, formant une surface plate de silicium bidimensionnelle. Le silicium est ensuite recouvert d'atomes d'hydrogène, qui peuvent être éliminés sélectivement et individuellement à l'aide d'une pointe STM. Les atomes de phosphore sont placés dans des espaces nouvellement formés dans la couche d’atomes d’hydrogène avant que le tout ne soit recouvert d’une autre couche de silicium.

Dispositif quantique SQC modélisé à l'échelle atomique

« Cela signifie que nous ne pouvons construire qu'un seul appareil à la fois », a admis Simmons, « mais j'y pense comme une montre suisse : cela peut être très La précision, vous devez le faire à la main. Ce que je veux dire, c'est que pour créer un système évolutif, vous avez besoin de ce genre de précision, et sans suffisamment de précision, vous avez du mal à construire un état quantique parce que vous ne savez pas ce que vous avez. " Le fait est que oui, c'est plus lent, mais vous savez à quoi vous attendre. " Une fois l'appareil construit, l'algorithme choisi par l'équipe de recherche aura " une signification historique ".

« Les algorithmes analogiques étaient le rêve de Richard Feynman dès les années 1950 », explique Simmons. "Si vous voulez comprendre le fonctionnement de la nature, vous devez la construire à cette échelle de longueur. Pouvons-nous modéliser les liaisons simples et doubles d'une molécule de carbone avec une précision inférieure au nanomètre ? En fait, nous nous retrouvons au lieu d'utiliser un seul atome pour simuler Pour un atome de carbone, 25 atomes de phosphore ont été utilisés. L'équipe a découvert qu'elle pouvait contrôler le flux d'électrons le long de la liaison.

«Vous disposez donc d'un contrôle individuel et local et de capacités de contrôle étendues», a déclaré Simmons. "Nous avons montré qu'une liaison à 10 points peut être réalisée avec seulement six électrodes. Il y a donc beaucoup moins d'électrodes que le nombre réel de points. C'est très utile pour la mise à l'échelle. Parce que fondamentalement, dans un ordinateur quantique, il n'est pas nécessaire Pour les composants actifs, vous voulez toujours construire moins de portes, sinon il évoluera mal. Non seulement le nouveau dispositif est conforme à la théorie SSH, mais Simmons pense que les ordinateurs quantiques commenceront bientôt à simuler au-delà du problème de la théorie optimale actuelle. "Cela ouvre la porte à des choses que nous n'avions jamais imaginées auparavant, ce qui est à la fois effrayant et excitant", a-t-elle déclaré.

L'appareil présente des défauts similaires à ceux d'autres ordinateurs quantiques, notamment la nécessité d'un énorme système de refroidissement pour maintenir la température de fonctionnement proche du zéro absolu, ce qui nécessite beaucoup d'énergie et de coûts.

En raison de la confidentialité commerciale, Simmons reste discret sur les projets sur lesquels SQC travaille après la présentation initiale. Pourtant, dit-elle : "Nous voulons l'appliquer à autant de choses différentes que possible et voir ce que nous trouvons." "

L'équipe SQC derrière l'article Nature

"Le fait que nous puissions obtenir des électrons de manière cohérente à travers l'ensemble du lien nous indique qu'il s'agit d'un système très cohérent quantique, "Cela donne Nous sommes convaincus que le système physique est très stable", a-t-elle déclaré. "Le fait qu'il puisse emprunter de nombreuses voies différentes témoigne de la pureté du système. La création de systèmes physiques plus grands en fait certainement partie. L'observation des états de spin au lieu de l'état de charge. C'est une autre affaire." Simmons décrit le travail comme "un voyage" qui démontre une nature interdisciplinaire - des physiciens quantiques, des chimistes, des ingénieurs et des ingénieurs logiciels sont tous impliqués. "C'est un domaine passionnant pour les jeunes", a-t-elle déclaré. "C'est un cas où un projet de recherche scientifique fondamentale s'est transformé en un outil pratique."

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