Un ordinateur quantique en silicium effectue des opérations logiques pour la première fois.
infohightech ·
Le silicium est omniprésent dans l'électronique moderne et son utilité ne cesse de croître en informatique quantique. Sa compatibilité avec les technologies de puces existantes et ses longs temps de cohérence dans les qubits de spin à base de silicium en font un matériau prometteur pour l'informatique quantique à grande échelle. Une nouvelle étude, publiée dans Nature Nanotechnology , a démontré l'utilisation du silicium dans un processeur quantique logique, une première dans le domaine.
Un processeur quantique logique en silicium
Les ordinateurs quantiques sont extrêmement sensibles aux erreurs dues au bruit environnemental, ce qui constitue un obstacle à leur application pratique. Pour atténuer ces erreurs, l'information peut être encodée dans des qubits logiques grâce au calcul quantique tolérant aux pannes (FTQC). Avant cette étude, le silicium n'avait pas été utilisé pour les opérations logiques en FTQC.
Dans les processeurs quantiques à base de silicium, la saturation des fréquences et la diaphonie accentuent les erreurs à mesure que le système augmente en taille. Pour y remédier, le codage logique, qui consiste à stocker de manière redondante l'information quantique sur plusieurs qubits physiques, apparaît comme la seule solution viable. Si les qubits logiques et les opérations qui y sont associées ont été démontrés avec succès sur des plateformes telles que les circuits supraconducteurs, les atomes neutres, les centres azote-lacune et les ions piégés, leur implémentation dans les qubits de spin à base de silicium pose des défis techniques considérables, écrivent les auteurs de l'étude.
L'équipe a toutefois réussi à surmonter ces difficultés. Pour créer le processeur quantique logique, elle a utilisé cinq spins nucléaires de phosphore dans un cluster donneur de silicium comme qubits. Elle a employé le code [[4, 2, 2]], un code de détection d'erreurs quantiques qui encode deux qubits logiques en quatre qubits physiques et dont les besoins en ressources sont minimes pour démontrer la tolérance aux pannes quantiques. Les portes logiques ont été implémentées grâce à une combinaison de résonance magnétique nucléaire et de résonance de spin électronique. Le dispositif ainsi obtenu a pu traiter l'information quantique tout en détectant les erreurs et en réduisant les interférences (ou diaphonie), une source majeure d'erreurs dans les systèmes quantiques.
Simulations réussies
L'équipe a testé son ordinateur quantique en silicium sur une tâche consistant à calculer l'énergie de l'état fondamental d'une molécule d'eau. Pour ce faire, elle a exécuté l'algorithme quantique appelé solveur variationnel quantique de valeurs propres (VQE) afin de simuler l'état fondamental d'une molécule d'eau à l'aide de qubits logiques.
Les auteurs de l'étude écrivent : « Dans l'expérience, nous utilisons une intégration de trois techniques d'atténuation des erreurs, notamment des contrôles de parité pour garantir que les données sont maintenues dans l'espace de code, un ajustement Clifford pour atténuer les erreurs à l'aide d'une fonction d'ajustement précalibrée f CF et une vérification de symétrie pour projeter la matrice de densité sur le sous-espace de symétrie contraint par l'hamiltonien. »
Les résultats ont montré que ces techniques de réduction des erreurs amélioraient considérablement la précision expérimentale. Surtout, l'équipe affirme que les résultats expérimentaux du VQE présentent une « remarquable concordance avec les valeurs théoriques ».
Prochaines étapes
La réalisation réussie d'un processeur quantique logique sur silicium représente une étape majeure vers une informatique quantique plus évolutive. L'équipe prévoit d'améliorer encore le placement des donneurs et espère réduire davantage la diaphonie afin d'accroître les performances. Elle envisage également d'augmenter le nombre de qubits logiques et la taille des réseaux de donneurs dans de futurs projets.
Les chercheurs concluent en évoquant leurs projets futurs : « Des réseaux de donneurs seront fabriqués afin d’étendre ce système et de réaliser l’architecture FTQC. Ces réseaux pourront être reconfigurés de manière flexible pour s’adapter à différents encodages FT. Nous envisageons des schémas FTQC sur mesure pour ce système, en exploitant les caractéristiques démontrées dans ce travail, notamment les portes Toffoli à haute connectivité, le bruit fortement polarisé et les états logiques encodés dans des clusters. Ce travail marque une transition du fonctionnement physique des qubits à l’encodage logique FT dans l’informatique quantique sur silicium. »