Une nouvelle technique pourrait aider à construire les ordinateurs quantiques du futur

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de résoudre des problèmes complexes liés à la santé humaine, à la découverte de médicaments et à l’intelligence artificielle des millions de fois plus rapidement que certains des superordinateurs les plus rapides au monde. Un réseau d’ordinateurs quantiques pourrait faire progresser ces découvertes encore plus rapidement. Mais avant que cela puisse se produire, l’industrie informatique aura besoin d’un moyen fiable pour relier des milliards de qubits – ou bits quantiques – avec une précision atomique.

Cependant, la connexion des qubits s’est avérée un défi pour la communauté des chercheurs. Certaines méthodes forment des qubits en plaçant une tranche de silicium entière dans un four de recuit rapide à très haute température.

Avec ces méthodes, des qubits se forment de manière aléatoire à partir de défauts (également appelés centres de couleur ou émetteurs quantiques) dans le réseau cristallin du silicium. Et sans savoir exactement où se trouvent les qubits dans un matériau, un ordinateur quantique composé de qubits connectés sera difficile à réaliser.

Mais maintenant, il sera peut-être bientôt possible de connecter des qubits. Une équipe de recherche dirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) affirme être la première à utiliser un laser femtoseconde pour créer et « annihiler » des qubits à la demande et avec précision, en dopant le silicium avec de l'hydrogène.

Cette avancée pourrait permettre aux ordinateurs quantiques utilisant des qubits optiques programmables ou des « qubits à photons de spin » de connecter des nœuds quantiques sur un réseau distant. Cela pourrait également faire progresser un Internet quantique qui serait non seulement plus sécurisé, mais pourrait également transmettre plus de données que les technologies d’information actuelles par fibre optique.

“Pour créer une architecture ou un réseau quantique évolutif, nous avons besoin de qubits capables de se former de manière fiable à la demande, aux emplacements souhaités, afin de savoir où se trouve le qubit dans un matériau. Et c'est pourquoi notre approche est essentielle”, a déclaré Kaushalya Jhuria. , chercheur postdoctoral à la division ATAP (Accelerator Technology & Applied Physics) du Berkeley Lab. Elle est le premier auteur d'une nouvelle étude décrivant la technique dans la revue Communications naturelles.

“Car une fois que nous savons où se trouve un qubit spécifique, nous pouvons déterminer comment connecter ce qubit avec d'autres composants du système et créer un réseau quantique.”

“Cela pourrait ouvrir une nouvelle voie potentielle à l'industrie pour surmonter les défis liés à la fabrication de qubits et au contrôle qualité”, a déclaré le chercheur principal Thomas Schenkel, responsable du programme de science de la fusion et de technologie des faisceaux d'ions de la division ATAP du laboratoire de Berkeley. Son groupe accueillera la première cohorte d'étudiants de l'Université d'Hawaï en juin, où les étudiants seront immergés dans la science et la technologie des centres de couleurs/qubits.

Formation de qubits en silicium avec contrôle programmable

La nouvelle méthode utilise un environnement gazeux pour former des défauts programmables appelés « centres de couleur » dans le silicium. Ces centres de couleurs sont candidats pour des qubits spéciaux de télécommunications ou « qubits de photons de spin ». La méthode utilise également un laser femtoseconde ultrarapide pour recuire le silicium avec une précision extrême là où ces qubits devraient se former précisément. Un laser femtoseconde délivre de très courtes impulsions d'énergie en un quadrillionième de seconde à une cible focalisée de la taille d'un grain de poussière.

Les qubits de photons de spin émettent des photons qui peuvent transporter des informations codées dans le spin électronique sur de longues distances : propriétés idéales pour prendre en charge un réseau quantique sécurisé. Les qubits sont les plus petits composants d'un système d'information quantique qui codent les données dans trois états différents : 1, 0 ou une superposition comprise entre 1 et 0.

Avec l'aide de Boubacar Kanté, chercheur à la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley et professeur de génie électrique et d'informatique (EECS) à l'UC Berkeley, l'équipe a utilisé un détecteur proche infrarouge pour caractériser les centres de couleur résultants en sondant leur optique (photoluminescence ) signaux.

Ce qu'ils ont découvert les a surpris : un émetteur quantique appelé C_je centre. En raison de sa structure simple, de sa stabilité à température ambiante et de ses propriétés de spin prometteuses, le C_je center est un candidat qubit de photons de spin intéressant qui émet des photons dans la bande des télécommunications. “Nous savions grâce à la littérature que C_je peut être formé dans le silicium, mais nous ne nous attendions pas à créer ce nouveau candidat qubit de photons de spin avec notre approche”, a déclaré Jhuria.

Les chercheurs ont appris que le traitement du silicium avec une faible intensité laser femtoseconde en présence d'hydrogène a contribué à créer le C_je centres de couleurs. D'autres expériences ont montré que l'augmentation de l'intensité du laser peut augmenter la mobilité de l'hydrogène, qui passive les centres de couleur indésirables sans endommager le réseau de silicium, a expliqué Schenkel.

Une analyse théorique réalisée par Liang Tan, scientifique à la fonderie moléculaire du laboratoire de Berkeley, montre que la luminosité du C_je Le centre de la couleur est augmenté de plusieurs ordres de grandeur en présence d'hydrogène, confirmant leurs observations issues d'expériences en laboratoire.

“Les impulsions laser femtoseconde peuvent expulser des atomes d'hydrogène ou les ramener, permettant ainsi la formation programmable des qubits optiques souhaités à des emplacements précis”, a déclaré Jhuria.

L’équipe prévoit d’utiliser cette technique pour intégrer des qubits optiques dans des dispositifs quantiques tels que des cavités réfléchissantes et des guides d’ondes, et pour découvrir de nouveaux candidats qubits de photons de spin dotés de propriétés optimisées pour des applications sélectionnées.

“Maintenant que nous pouvons créer des centres de couleurs de manière fiable, nous voulons que différents qubits communiquent entre eux – ce qui est une incarnation de l'intrication quantique – et voir lesquels fonctionnent le mieux. Ce n'est que le début”, a déclaré Jhuria.

“La capacité de former des qubits à des emplacements programmables dans un matériau comme le silicium, disponible à grande échelle, constitue une étape passionnante vers la mise en réseau et l'informatique quantiques pratiques”, a déclaré Cameron Geddes, directeur de la division ATAP.