Une illustration de la plate-forme qubit constituée d’un seul électron sur du néon solide. Les chercheurs ont gelé du gaz néon dans un solide à très basse température, ont pulvérisé des électrons d’une ampoule sur le solide et y ont piégé un seul électron pour créer un qubit. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Dafei Jin / Laboratoire national d’Argonne
L’appareil numérique que vous utilisez pour consulter cet article utilise sans aucun doute le bit, qui peut être 0 ou 1, comme unité d’information de base. Cependant, les scientifiques du monde entier se précipitent pour développer un nouveau type d’ordinateur basé sur l’utilisation de bits quantiques, ou qubits, qui peuvent être simultanément 0 et 1 et pourraient un jour résoudre des problèmes complexes au-delà de tous les supercalculateurs classiques.
Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques du laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE), en étroite collaboration avec Wei Guo, professeur associé de génie mécanique du FAMU-FSU College of Engineering, a annoncé la création d’une nouvelle plate-forme qubit très prometteuse. à développer dans les futurs ordinateurs quantiques. Leurs travaux sont publiés dans la revue Nature.
“Les ordinateurs quantiques pourraient être un outil révolutionnaire pour effectuer des calculs pratiquement impossibles pour les ordinateurs classiques, mais il reste encore du travail à faire pour en faire une réalité”, a déclaré Guo, co-auteur de l’article. “Avec cette recherche, nous pensons que nous avons une percée qui contribue grandement à la fabrication de qubits qui aident à réaliser le potentiel de cette technologie.”
L’équipe a créé son qubit en congelant du gaz néon dans un solide à très basse température, en pulvérisant des électrons d’une ampoule sur le solide et en y piégeant un seul électron.
FAMU-FSU College of Engineering Professeur agrégé de génie mécanique Wei Guo. Crédit : Université d’État de Floride
Bien qu’il existe de nombreux choix de types de qubits, l’équipe a choisi le plus simple – un seul électron. Chauffer un simple filament lumineux comme celui que vous pourriez trouver dans un jouet pour enfant peut facilement produire une quantité illimitée d’électrons.
Une qualité importante des qubits est leur capacité à rester simultanément dans un état 0 ou 1 pendant une longue période, connue sous le nom de “temps de cohérence”. Ce temps est limité et la limite est déterminée par la manière dont les qubits interagissent avec leur environnement. Des défauts dans le système qubit peuvent réduire considérablement le temps de cohérence.
Pour cette raison, l’équipe a choisi de piéger un électron sur une surface de néon solide ultrapure dans le vide. Le néon est l’un des six éléments inertes, ce qui signifie qu’il ne réagit pas avec d’autres éléments.
“En raison de cette inertie, le néon solide peut servir de solide le plus propre possible dans le vide pour héberger et protéger tous les qubits contre les perturbations”, a déclaré Dafei Jin, scientifique à Argonne et chercheur principal du projet.
En utilisant un résonateur supraconducteur à l’échelle de la puce – comme un four à micro-ondes miniature – l’équipe a pu manipuler les électrons piégés, leur permettant de lire et de stocker des informations à partir du qubit, le rendant ainsi utile pour une utilisation dans les futurs ordinateurs quantiques.
Des recherches antérieures utilisaient de l’hélium liquide comme support pour retenir les électrons. Ce matériau était facile à éliminer des défauts, mais les vibrations de la surface sans liquide pouvaient facilement perturber l’état des électrons et donc compromettre les performances du qubit.
Le néon solide offre un matériau avec peu de défauts qui ne vibre pas comme l’hélium liquide. Après avoir construit leur plate-forme, l’équipe a effectué des opérations qubit en temps réel en utilisant des photons micro-ondes sur un électron piégé et a caractérisé ses propriétés quantiques. Ces tests ont démontré que le néon solide fournissait un environnement robuste pour l’électron avec un bruit électrique très faible pour le perturber. Plus important encore, le qubit a atteint des temps de cohérence dans l’état quantique en concurrence avec d’autres qubits de pointe.
La simplicité de la plate-forme qubit devrait également se prêter à une fabrication simple et à faible coût, a déclaré Jin.
La promesse de[{” attribute=””>quantum computing lies in the ability of this next-generation technology to calculate certain problems much faster than classical computers. Researchers aim to combine long coherence times with the ability of multiple qubits to link together — known as entanglement. Quantum computers thereby could find the answers to problems that would take a classical computer many years to resolve.
Consider a problem where researchers want to find the lowest energy configuration of a protein made of many amino acids. These amino acids can fold in trillions of ways that no classical computer has the memory to handle. With quantum computing, one can use entangled qubits to create a superposition of all folding configurations — providing the ability to check all possible answers at the same time and solve the problem more efficiently.
“Researchers would just need to do one calculation, instead of trying trillions of possible configurations,” Guo said.
For more on this research, see New Qubit Breakthrough Could Revolutionize Quantum Computing.
Reference: “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform” by Xianjing Zhou, Gerwin Koolstra, Xufeng Zhang, Ge Yang, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Kater W. Murch, David I. Schuster and Dafei Jin, 4 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04539-x
The team published its findings in a Nature article titled “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform.” In addition to Jin, Argonne contributors include first author Xianjing Zhou, Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li, and Ralu Divan. Contributors from the University of Chicago were David Schuster and Brennan Dizdar. Other co-authors were Kater Murch of Washington University in St. Louis, Gerwin Koolstra of Lawrence Berkeley National Laboratory, and Ge Yang of Massachusetts Institute of Technology.
Funding for the Argonne research primarily came from the DOE Office of Basic Energy Sciences, Argonne’s Laboratory Directed Research and Development program and the Julian Schwinger Foundation for Physics Research. Guo is supported by the National Science Foundation and the National High Magnetic Field Laboratory.