Les qubits surfent sur les ondes sonores entre les nœuds quantiques

Inspirés par le fonctionnement des lasers pulsés, des scientifiques français et japonais ont développé une contrepartie acoustique qui permet la transmission précise et contrôlée d’électrons individuels entre des nœuds quantiques.

chevauchant les vagues

Le spin d’un électron peut servir de base à la création de qubits, l’unité d’information de base en informatique quantique. Afin de traiter ou de stocker ces informations, les informations en qubits peuvent devoir être transportées entre les nœuds quantiques d’un réseau.

Une option consiste à transporter les électrons, ce qui peut maintenant être fait en les faisant voyager sur des ondes sonores. “Il y a plus de 10 ans, nous l’avons démontré pour la première fois”, a déclaré le chercheur principal Christopher Bauerle de Grenoble. Institut Néel.

Cependant, cette technique présentait un inconvénient majeur. Comme toute onde, une onde sonore prend une forme sinusoïdale, composée de nombreux maxima et minima, ce qui rend difficile la prédiction de l’emplacement de l’électron.

Bauerle et son équipe ont maintenant résolu ce problème en concevant une vague qui a soit un seul minimum, soit un seul maximum. “En utilisant une technique appelée synthèse de Fourier, nous avons superposé de nombreuses ondes avec différentes fréquences de telle sorte qu’il n’y avait qu’un minimum ou un maximum selon que vous appliquiez une tension positive ou négative”, a-t-il déclaré.

Bauerle compare ces ondes sonores concentrées à des impulsions laser. « Si vous souhaitez effectuer des mesures résolues dans le temps, vous excitez un système avec une courte impulsion laser. Nous utilisons une technique similaire dans notre système utilisant le son. Puisque nous avons une impulsion acoustique focalisée, nous savons exactement quand l’électron arrivera à un nœud », a-t-il déclaré.

Paulo Santos, un expert en nanoélectronique basé à Berlin au Paul Drude Institute for Solid-State Electronics, compare la technique à un surfeur surfant sur une vague. “Tout comme un surfeur est porté par une vague dans un océan, le qubit d’électrons chevauche l’onde acoustique de la surface pour se déplacer dans le réseau quantique”, a déclaré Santos, qui ne faisait pas partie de l’étude.

faire des vagues

Pour générer ces ondes sonores, une puce contenant des nœuds quantiques a été enchâssée dans un cristal d’arséniure de gallium lié à deux électrodes plaquées or déposées sur un substrat piézoélectrique. Un champ électrique est généré en appliquant une tension alternative à ces électrodes. Le champ électrique changeant déforme le matériau piézoélectrique et génère des ondes acoustiques de surface. Ils sont accompagnés d’un champ électrique mobile (généré par effet piézoélectrique inverse) qui permet de transporter les électrons.

Bauerle a énuméré plusieurs avantages de ce système, qui fonctionne à des températures comprises entre 20 milliKelvin et un Kelvin. “Les électrons sont transportés entre les nœuds à la vitesse du son (3000 m/s). Ceci, combiné au mode de transmission précis et contrôlé des électrons, nous permet de manipuler l’information quantique en temps réel. Si vous le comparez avec le système quantique photonique, des manipulations doivent être faites au préalable car les informations sont transmises à la vitesse de la lumière, ce qui est trop rapide pour une manipulation en temps réel », a-t-il déclaré.

En outre, cette technique peut potentiellement être mise à l’échelle en raison de la grande taille de la forme d’onde. “Une seule onde acoustique peut transporter des électrons de différents nœuds quantiques en même temps”, a déclaré Bauerle, ajoutant qu’ils avaient atteint une efficacité de transmission de 99,4% au cours de leurs expériences.

Selon Santos, la capacité unique de cette technique à transporter avec précision des qubits et à les manipuler à la volée sur une puce pourrait avoir plusieurs applications différentes à l’avenir. “La prochaine grande étape consiste à démontrer l’enchevêtrement de ces qubits volants. L’autre grand effort consistera à transférer cette technologie de l’arséniure de gallium à d’autres matériaux comme le silicium.”

Il a ajouté, cependant, qu’il pourrait s’écouler des années avant que nous voyions des applications pratiques basées sur cette recherche.

Santos a souligné que les spins d’électrons ne sont qu’une des nombreuses approches du traitement de l’information quantique ; d’autres options incluent les photons, les qubits supraconducteurs et les atomes froids. Il a noté que les qubits de photons continueront d’être un objectif principal dans les systèmes quantiques.

“Il y a plus de personnes travaillant sur le traitement quantique à base de photons car une grande infrastructure existe déjà. Par exemple, les puces à base de silicium ont également une optique intégrée. La technique de “navigation électronique” est prise en charge par l’intégration sur puce.” et peut bénéficier de ces développements », a-t-il dit, suggérant que les progrès de l’un pourraient aider l’autre.

Révision physique X, 2022. DOI : 10.1103/PhysRevX.12.031035

Dhananjay Khadilkar est un journaliste basé à Paris.