Les ingénieurs quantiques de l'UNSW Sydney ont levé un obstacle majeur qui empêchait les ordinateurs quantiques de devenir une réalité. Ils ont découvert une nouvelle technique qui, selon eux, sera capable de contrôler des millions de qubits de spin, les unités d'information de base d'un processeur quantique au silicium.
Jusqu'à présent, les ingénieurs et les scientifiques en informatique quantique ont travaillé avec un modèle de preuve de concept de processeurs quantiques en démontrant le contrôle de seulement une poignée de qubits.
Mais l'équipe a trouvé ce qu'elle considère comme "la pièce manquante du puzzle" dans l'architecture informatique quantique qui devrait permettre le contrôle des millions de qubits nécessaires pour des calculs extraordinairement complexes.
L'équipe de recherche voulait résoudre le problème qui avait bloqué les informaticiens quantiques pendant des décennies : comment contrôler non seulement quelques, mais des millions de qubits sans occuper un espace précieux avec plus de câblage, qui utilise plus d'électricité et génère plus de chaleur.
Jusqu'à présent, le contrôle des qubits de spin des électrons reposait sur la fourniture de champs magnétiques micro-ondes en faisant passer un courant dans un fil juste à côté du qubit.
Cela pose de réels défis si nous voulons atteindre les millions de qubits dont un ordinateur quantique aura besoin pour résoudre des problèmes d'importance mondiale, tels que la conception de nouveaux vaccins.
Tout d'abord, les champs magnétiques diminuent très rapidement avec la distance, nous ne pouvons donc contrôler que les qubits les plus proches du fil. Cela signifie que nous aurions besoin d'ajouter de plus en plus de fils à mesure que nous apportions de plus en plus de qubits, ce qui prendrait beaucoup d'espace sur la puce.
Et puisque la puce doit fonctionner à des températures glaciales, inférieures à -270°C, le Dr Pla dit que l'introduction de plus de fils générerait beaucoup trop de chaleur dans la puce, interférant avec la fiabilité des qubits.
Moment d'ampoule
La solution à ce problème impliquait une réimagination complète de la structure de la puce de silicium.
Plutôt que d'avoir des milliers de fils de contrôle sur la même puce de silicium de la taille d'une vignette qui doit également contenir des millions de qubits, l'équipe a examiné la faisabilité de générer un champ magnétique au-dessus de la puce qui pourrait manipuler tous les qubits simultanément.
Cette idée de contrôler tous les qubits simultanément a été posée pour la première fois par des scientifiques en informatique quantique dans les années 1990, mais jusqu'à présent, personne n'avait trouvé de moyen pratique de le faire jusqu'à présent.
« Nous avons d'abord retiré le fil à côté des qubits, puis nous avons trouvé un nouveau moyen de fournir des champs de contrôle magnétiques à micro-ondes à travers l'ensemble du système. Donc, en principe, nous pourrions fournir des champs de contrôle jusqu'à quatre millions de qubits », explique l'équipe de recherche.
L'équipe a introduit un nouveau composant directement au-dessus de la puce de silicium : un prisme de cristal appelé résonateur diélectrique. Lorsque les micro-ondes sont dirigées dans le résonateur, la longueur d'onde des micro-ondes est focalisée à une taille beaucoup plus petite.
Le résonateur diélectrique rétrécit la longueur d'onde en dessous d'un millimètre, nous avons donc maintenant une conversion très efficace de la puissance micro-ondes en champ magnétique qui contrôle les spins de tous les qubits.
Il y a ici deux innovations clés. La première est que nous n'avons pas besoin de mettre beaucoup de puissance pour obtenir un champ d'entraînement puissant pour les qubits, ce qui signifie essentiellement que nous ne générons pas beaucoup de chaleur. La seconde est que le champ est très uniforme sur toute la puce, de sorte que des millions de qubits bénéficient tous du même niveau de contrôle.
L'équipe quantique
Bien que l'équipe ait développé le prototype de résonateur sans souci, ils n'avaient pas les qubits de silicium pour le tester. Il s'est donc entretenu avec son collègue ingénieur de l'UNSW dont l'équipe avait, au cours de la dernière décennie, démontré la première et la plus précise logique quantique utilisant la même technologie de fabrication de silicium que celle utilisée pour fabriquer des puces informatiques conventionnelles.
Autrefois rêvés dans les années 1980, les ordinateurs quantiques utilisant des milliers de qubits pour résoudre des problèmes d'importance commerciale pourraient maintenant être dans moins d'une décennie. Au-delà de cela, ils devraient apporter une nouvelle puissance de feu pour résoudre les défis mondiaux et développer de nouvelles technologies en raison de leur capacité à modéliser des systèmes extraordinairement complexes.
Changement climatique, conception de médicaments et de vaccins, décryptage de code et intelligence artificielle tous bénéficieront de la technologie de l'informatique quantique.
Pour l'avenir
Ensuite, l'équipe prévoit d'utiliser cette nouvelle technologie pour simplifier la conception de processeurs quantiques au silicium à court terme.
Le retrait du fil de commande sur puce libère de l'espace pour des qubits supplémentaires et tous les autres composants électroniques nécessaires à la construction d'un processeur quantique. Cela rend la tâche de passer à l'étape suivante de production d'appareils avec quelques dizaines de qubits beaucoup plus simple.
Bien qu'il y ait des défis d'ingénierie à résoudre avant que des processeurs avec un million de qubits puissent être fabriqués, nous sommes enthousiasmés par le fait que nous avons maintenant un moyen de les contrôler.
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