Le cœur de tout ordinateur, son unité centrale de traitement, est construit à l’aide de la technologie des semi-conducteurs, qui est capable de placer des milliards de transistors sur une seule puce. Aujourd’hui, des chercheurs du groupe de Menno Veldhorst à QuTech, une collaboration entre l’Université technique de Delft et le TNO, ont montré que cette technologie peut être utilisée pour construire un réseau bidimensionnel de qubits pour fonctionner comme un processeur quantique. Leurs travaux, qui constituent une étape cruciale pour la technologie quantique évolutive, ont été publiés aujourd’hui dans Nature.
Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de résoudre des problèmes impossibles à traiter avec des ordinateurs classiques. Alors que les dispositifs quantiques actuels contiennent des dizaines de qubits – l’élément de base de la technologie quantique – un futur ordinateur quantique universel capable d’exécuter n’importe quel algorithme quantique sera probablement constitué de millions ou de milliards de qubits. Les qubits à points quantiques promettent d’être une approche évolutive car ils peuvent être définis à l’aide de techniques de fabrication de semi-conducteurs standard. Menno Veldhorst : « En plaçant quatre qubits de ce type dans une grille deux par deux, en démontrant le contrôle universel de tous les qubits et en exploitant un circuit quantique qui enchevêtre tous les qubits, nous avons fait un grand pas en avant dans la réalisation d’une approche évolutive pour le calcul quantique ».
Un processeur quantique complet
Les électrons piégés dans des points quantiques, des structures semi-conductrices de quelques dizaines de nanomètres seulement, sont étudiés depuis plus de deux décennies comme plateforme d’information quantique. Malgré toutes les promesses, la mise à l’échelle au-delà de la logique à deux qubits est restée insaisissable. Pour briser cette barrière, les groupes de Menno Veldhorst et Giordano Scappucci ont décidé d’adopter une approche totalement différente et ont commencé à travailler avec des trous (c’est-à-dire des électrons manquants) dans le germanium. Grâce à cette approche, les mêmes électrodes nécessaires pour définir les qubits pouvaient également être utilisées pour les contrôler et les enchevêtrer.
Aucune structure supplémentaire importante n’a dû être ajoutée à côté de chaque qubit, de sorte que nos qubits sont presque identiques aux transistors d’une puce informatique », explique Nico Hendrickx, étudiant diplômé dans le groupe de Menno Veldhorst et premier auteur de l’article. De plus, nous avons obtenu un excellent contrôle et pouvons coupler les qubits à volonté, ce qui nous permet de programmer des portes à un, deux, trois et quatre qubits, promettant des circuits quantiques très compacts.
La 2D est la clé
Après avoir réussi à créer le premier qubit à points quantiques en germanium en 2019, le nombre de qubits sur leurs puces a doublé chaque année. « Quatre qubits ne font en aucun cas un ordinateur quantique universel, bien sûr » précise Menno Veldhorst. Mais en plaçant les qubits dans une grille de deux par deux, nous savons maintenant comment contrôler et coupler les qubits dans différentes directions ». Toute architecture réaliste permettant d’intégrer un grand nombre de qubits exige qu’ils soient interconnectés le long de deux dimensions.
Le germanium, une plate-forme très polyvalente
La démonstration de la logique à quatre qubits dans le germanium définit l’état de l’art pour le domaine des points quantiques et marque une étape importante vers des grilles de qubits semi-conducteurs bidimensionnelles denses et étendues. Outre sa compatibilité avec la fabrication avancée de semi-conducteurs, le germanium est également un matériau très polyvalent. Il possède des propriétés physiques passionnantes, comme le couplage spin-orbite, et il peut entrer en contact avec des matériaux comme les supraconducteurs. Le germanium est donc considéré comme une excellente plate-forme dans plusieurs technologies quantiques. Menno Veldhorst : « Maintenant que nous savons comment fabriquer du germanium et faire fonctionner un réseau de qubits, la route de l’information quantique au germanium peut véritablement commencer ».
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03332-6
https://qutech.nl/2021/03/24/semiconductor-qubits-scale-in-two-dimensions/
