Des chercheurs australiens ont conçu un tout nouveau type de qubit : l’état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d’information quantique (soit l’analogue quantique du bit).

Les scientifiques affirment que ces nouveaux qubits permettront enfin de fabriquer un véritable ordinateur quantique accessible et ce, à grande échelle. En gros, il existe actuellement un certain nombre de façons de créer un ordinateur quantique. Certains occupent moins d’espace, mais ont tendance à être incroyablement complexes. Tandis que d’autres sont plus simples, mais il est compliqué de les fabriquer en masse.

Certaines méthodes connues pour capturer un qubit consistent à utiliser des technologies conventionnelles dites d’apprivoisement des atomes, comme par exemple des pièges à ions ou des pinces optiques, qui peuvent s’accrocher à des particules suffisamment longtemps pour réussir à analyser leurs états quantiques. D’autres utilisent des circuits fabriqués à partir de matériaux supraconducteurs, pour détecter les superpositions quantiques à travers les courants électriques.

L’avantage pour ces types de systèmes est que leur base se trouve dans les techniques et équipements actuels, ce qui les rend relativement abordables et faciles à mettre en place. Cette technologie pourrait donc être utilisée pour un nombre relativement petit de qubits, mais lorsqu’il y en a des centaines ou des milliers qui sont reliés à un ordinateur, la question de l’échelle devient rapidement un problème.

Grâce au codage double de l’information, à la fois dans le noyau et dans l’électron d’un atome, le nouveau qubit de silicium appelé « qubit à bascule », peut être contrôlé par des signaux électriques, au lieu de signaux magnétiques.

Cela signifie qu’il peut maintenir l’enchevêtrement quantique à une distance bien plus grande qu’auparavant, ce qui le rend plus économique et plus facile à mettre en place dans un ordinateur quantique. « S’ils sont trop proches ou trop éloignés, l’enchevêtrement entre les bits quantiques (qui rendent les ordinateurs quantiques si spéciaux) ne se produirait pas », explique le chercheur qui a proposé le nouveau qubit, Guilherme Tosi, de l’Université de New South Wales, en Australie. Le qubit à bascule se trouve donc entre ces deux extrêmes (ni trop proche, ni trop éloigné), offrant un véritable enchevêtrement quantique sur une distance de plusieurs centaines de nanomètres.

En d’autres termes, il s’agit peut-être exactement de ce dont nous avions besoin pour pouvoir enfin commencer à élaborer des ordinateurs quantiques à base de silicium, à grande échelle. Mais il faut savoir que pour l’instant, il n’existe que des modèles théoriques de ces ordinateurs quantiques : ils n’ont encore jamais été construits.

Pourtant, selon le chef de l’équipe de recherche Andrea Morello, ce développement est tout aussi important dans le domaine que le document de Bruce Kane datant de 1998 et publié dans la revue Nature, qui a ouvert la voie au mouvement du calcul quantique : « Tout comme l’étude de Kane, il s’agit d’une théorie, d’une proposition – le qubit doit encore être construit », explique Morello. « Nous avons des données expérimentales préliminaires qui suggèrent que c’est tout à fait possible, alors nous travaillons à le démontrer. Mais je pense que ceci est tout aussi visionnaire que l’article original de Kane », continue-t-il.

En effet, le qubit à bascule fonctionne en codant l’information à la fois sur l’électron et sur le noyau d’un atome de phosphore implanté à l’intérieur d’une puce de silicium, qui est reliée à des électrodes. Le tout est ensuite refroidi à une température proche du zéro absolu et baigné dans un champ magnétique.

La valeur du qubit est alors déterminée par des combinaisons d’une propriété binaire appelée spin : si le spin est « haut » pour un électron tandis qu’il est « bas » pour le noyau, alors le qubit représente une valeur globale de 1. Si c’est l’inverse, alors la valeur globale du qubit est de 0.

Les chercheurs sont capables de contrôler le qubit en utilisant un champ électrique au lieu de signaux magnétiques, ce qui offre deux avantages : il est plus facile à intégrer aux circuits électroniques et plus important encore, cela signifie que les qubits peuvent communiquer sur de plus grandes distances. « Pour utiliser ce qubit, vous devez faire en sorte que l’électron s’éloigne un peu du noyau, en utilisant des électrodes. Ce faisant, vous créez également un dipôle électrique », explique Tosi. « C’est l’élément crucial. Ces dipôles électriques interagissent les uns avec les autres sur de très grandes distances, une bonne fraction de micron ou 1000 nanomètres », ajoute Morello.

« Cela signifie que nous pouvons à présent placer les qubits bien plus loin que ce qu’on pensait auparavant. Il y a donc beaucoup plus d’espace pour intercaler les composants classiques clés tels que les interconnexions, les électrodes de contrôle et les dispositifs de lecture, tout en conservant la nature atomique précise du bit quantique », continue d’expliquer Morello.

Ce qubit à bascule représente donc un équilibre qui pourrait rendre les futurs ordinateurs quantiques potentiellement réalisables à grande échelle et plus abordables. « C’est un design brillant, et comme pour de nombreux concepts, c’est incroyable que personne n’y ait pensé auparavant », conclut Morello.

VIDÉO : Les qubits à bascule, une toute nouvelle architecture de l’informatique quantique !

Sources : Nature Communications, SCIMEX

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