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Les ordinateurs quantiques basés sur le spin sont capables de résoudre des problèmes mathématiques complexes bien au-delà de la capacité de résolution des ordinateurs classiques. Mais de nombreux obstacles existent encore pour rendre ces machines efficaces en terme d’évolutivité et de stabilité de calcul. Dans ce cadre, un groupe international de chercheurs dirigé par le RIKEN (Japon) a conçu une nouvelle architecture pour l’informatique quantique, résolvant certains de ces problèmes.

En développant un dispositif hybride composé de deux types de qubits différents — la version quantique des bits classiques — les chercheurs ont créé un prototype pouvant être utilisé avec une grande stabilité de traitement. Les ordinateurs quantiques, possédant une puissance de calcul potentiellement illimitée, sont considérés comme le futur de l’informatique pour la résolution de problèmes algorithmiques, et pour les systèmes de sécurité.

En 1998, Daniel Loss, l’un des auteurs l’étude, a proposé avec David DiVincenzo d’IBM, de construire un ordinateur quantique en utilisant les spins d’électrons intégrés dans un « point quantique » — une petite particule se comportant comme un atome et pouvant être manipulée, de sorte qu’ils sont parfois appelés « atomes artificiels ». Depuis lors, Loss et son équipe se sont efforcés de construire des appareils pratiques.

microscope point quantique

Image en microscopie électronique à balayage d’un point quantique ; les atomes individuels qui le constituent sont visibles. Crédits : Rosenthal Lab

Il existe un certain nombre d’obstacles au développement de tels dispositifs en matière de rapidité. Premièrement, le périphérique doit pouvoir être initialisé rapidement. L’initialisation est le processus de mise d’un qubit dans un certain état. Si cela ne peut pas être fait rapidement, le système est ralenti.

Deuxièmement, il doit maintenir la cohérence suffisamment longtemps pour permettre une mesure. La cohérence fait référence à la superposition de deux états quantiques et sert à effectuer la mesure. Ainsi, si les qubits subissent la décohérence imprimée par le bruit de fond, alors le système devient inefficace. Et enfin, l’état final du qubit doit pouvoir être lu rapidement.

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Un certain nombre de méthodes ont été proposées pour la construction d’un ordinateur quantique, mais celle proposée par Loss et DiVincenzo reste l’une des plus réalisables, car elle est basée sur les semi-conducteurs, pour lesquels une grande industrie existe déjà. L’équipe a combiné deux types de qubits sur un seul appareil. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications.

qubits combinaison ordinateur quantique

Schéma montrant l’intrication entre deux qubits différents, utilisée par les chercheurs pour obtenir à la fois une rapidité d’exécution et une stabilité de leur ordinateur quantique. Crédits : A. Noiri et al. 2018

Le premier, un type de qubit à spin unique appelé qubit de Loss-DiVincenzo, possède une très grande fidélité de contrôle, ce qui signifie qu’il est dans un état parfaitement lisible, ce qui le rend idéal pour les calculs et dispose d’un long temps de décohérence. Malheureusement, l’inconvénient de ces qubits est qu’ils ne peuvent pas être rapidement initialisés ou lus. Le second type, appelé qubit singulet-triplet, est rapidement initialisé et lu, mais il devient rapidement décohérent.

Pour l’étude, les scientifiques ont associé les deux types de qubit à un type de porte quantique appelé porte à phase contrôlée, qui permettait aux états de spin d’être intriqués dans un délai suffisamment rapide pour maintenir la cohérence, permettant au qubit à spin unique d’être lu par la mesure rapide du qubit singulet-triplet.

« Nous avons démontré que différents types de points quantiques peuvent être combinés dans un seul appareil, pour surmonter leurs limitations respectives. Ceci offre des informations importantes qui peuvent contribuer à l’extensibilité des ordinateurs quantiques » conclut Akito Noiri, physicien au CEMS.

Source : Nature Communications

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