Une nouvelle puce quantique exploite des quasi-particules étranges pour permettre aux qubits de communiquer sur de longues distances

Les chercheurs ont développé un nouveau type d’architecture interconnectée pour les puces informatiques quantiques, qui pourrait ouvrir la voie à des machines capables d’effectuer des traitements à grande échelle, y compris celles dotées de plus d’un million de qubits.

Dans une étude publiée le 15 juin dans la revue APL Quantiqueles scientifiques visaient à résoudre un énorme problème avec le leader unités de traitement quantique (QPU) : les qubits ont du mal à communiquer et à partager des informations quantiques entre eux s’ils ne sont pas voisins immédiats.

C’est pourquoi les scientifiques ont mis au point les liaisons phononiques quantiques (QPL) – une approche de couplage à longue portée entre qubits qui s’appuie sur des phonons – quasiparticules qui transportent de l’énergie vibratoire – pour transmettre des informations. En revanche, les méthodes conventionnelles, comme les ondes acoustiques de surface (vibrations sonores à haute fréquence), nécessitent des conceptions complexes et du matériel supplémentaire.

« L’un des principaux défis de l’informatique quantique est la connectivité des qubits à longue portée. » Maksym Myronovprofesseur agrégé de matériaux et dispositifs semi-conducteurs à l’Université de Warwick au Royaume-Uni et premier auteur de l’étude, a déclaré dans un communiqué. déclaration. « Notre travail introduit un nouveau concept dans lequel les phonons agissent comme un bus quantique, permettant à des qubits distants d’échanger des informations quantiques tout en restant entièrement compatibles avec la technologie des semi-conducteurs. »

Dans l’étude, les scientifiques ont déclaré que le moyen le plus prometteur de réaliser un ordinateur quantique capable d’effectuer un traitement à grande échelle et tirant parti des QPL serait une modalité de qubit connue sous le nom de « qubits de spin à trous semi-conducteurs ».

Un « trou » fait ici référence à l’absence d’un électron dans un matériau, mais il peut agir comme une particule et avoir un état de spin – une propriété utilisée pour coder l’information quantique – où les 1 et les 0 des données seraient représentés par la direction de l’état de spin de la particule.

Pour démontrer cette technologie, ils ont créé un prototype de QPU composé de silicium avec une fine couche de cristaux de germanium, un matériau spécialisé qu’ils ont appelé germanium contraint en compression sur silicium (cs-GoS). Le germanium est un matériau particulièrement utile pour l’informatique quantique, ont indiqué les scientifiques, car il possède des propriétés naturelles qui réduisent la décohérence, c’est-à-dire la perte d’informations quantiques due à des interférences externes.

Les qubits de spin à trous combinent de longs temps de cohérence quantique (durée pendant laquelle ils peuvent conserver les informations quantiques) avec la capacité de communiquer en utilisant des impulsions électroniques dans les systèmes de contrôle. Mais ils ont du mal à former des liens et à partager des informations quantiques avec des qubits dont ils ne sont pas directement voisins. Dans tout système à grande échelle, par exemple, permettre ce « couplage quantique » entre qubits distants est essentiel pour techniques de correction d’erreurs quantiques pour fonctionner efficacement à l’échelle d’un système massif, ont déclaré les scientifiques.

D’autres approches de communication à longue portée proposées, telles que le « shunting de charge » – redirigeant les condensateurs pour réduire la sensibilité au bruit de charge ou aux ondes acoustiques de surface – présentent des limites fondamentales en termes d’évolutivité, à la fois en termes de taille et de maintien de la cohérence. C’est là qu’interviennent les QPL.

Les QPL sont des guides d’ondes et des cavités phononiques qui confinent et guident les modes acoustiques dans un « puits quantique » de germanium contraint par compression, où un puits quantique est une couche ultra-mince qui agit comme un guide.

Dans l’étude, les chercheurs se sont concentrés sur les qubits utilisant des trous de bande de valence – l’absence d’électrons au niveau de la bande de valence. zéro absolu – hébergé via cs-GoS. Avec les QPL, les scientifiques ont envoyé des vibrations sonores à travers le matériau spécialisé pour transporter des informations quantiques entre les qubits distants.

Les états de spin dans ce matériau sont très sensibles aux déformations du réseau, ce qui permet un contrôle précis et le couplage des états de spin avec l’énergie vibrationnelle. Essentiellement, cela permet de distinguer l’état de spin de son homologue électronique, permettant ainsi les stratégies de couplage phononique. La technique qu’ils ont adoptée permettait un couplage direct entre les phonons et les spins des trous.

En utilisant une vitesse d’onde lente (la vitesse d’une particule quantique) et une longueur d’onde courte pour les excitations acoustiques, les scientifiques ont utilisé des QPL pour relier des qubits séparés de moins d’un micromètre (un millième de millimètre) et ceux jusqu’à 300 mm (11,8 pouces).

Les QPL ne sont pas seulement prometteurs pour l’informatique quantique, soulignent les scientifiques dans l’étude. En utilisant des phonons comme connexions, cette technique offre une interface polyvalente pour les systèmes quantiques hybrides – des ordinateurs conventionnels dotés de fonctionnalités d’informatique quantique. Cela pourrait permettre une interconnexion cohérente des qubits de spin semi-conducteurs avec d’autres plates-formes quantiques, telles que l’informatique quantique basée sur le cloud.

La combinaison de l’ingénierie phononique et de la physique du spin des trous fait du cs-GoS une plate-forme prometteuse pour les architectures quantiques de nouvelle génération, ont-ils ajouté, car elle pourrait réaliser à la fois un couplage cohérent à longue portée et une intégration à grande échelle.

Pouvez-vous faire correspondre ces appareils anciens à leurs images ? Découvrez-le avec notre