Le silicium au service du bit quantique
Publié par Adrien le 02/08/2019 à 08:00
Source: CNRS INP
La physique quantique appliquée aux techniques de l'information promet une révolution en termes de capacité de calcul. Dans ce travail, les chercheurs ouvrent la perspective d'exploiter le potentiel des technologies de la microélectronique pour la réalisation des bits quantiques.

Le bit quantique (qubit) est l'élément de base de l'ordinateur quantique (Un ordinateur quantique (ou rarement calculateur quantique) repose sur des propriétés quantiques de la matière : superposition et intrication d'états quantiques. De petits ordinateurs quantiques...). De même que le bit classique, il comporte deux états de lecture, mais grâce à sa nature quantique, il peut véhiculer une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer...) d'information infiniment plus grande, démultipliant ainsi des capacités de calcul de l'ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques...). Une des difficultés de la réalisation d'un qubit (On nomme qubit (quantum + bit ; prononcé /kyoobit/), parfois écrit qbit, l'état quantique qui représente la plus petite unité de stockage...) est de préserver sa cohérence, c'est-à-dire sa capacité à garder suffisamment longtemps l'information qu'il contient. Le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge...) de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.), qui comporte deux états (+ ou -), est une des réalisations possibles du qubit, grâce à un composant appelée boîte quantique dans lequel il est piégé. Un de ses atouts majeurs est, dans la perspective d'une intégration d'un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de bits, la très petite taille du composant. En associant étroitement physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...) et ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.), des chercheurs grenoblois de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Néel (CNRS/UGA), du LETI (CEA) et de l'IRIG-Pheliqs (UGA/CEA) ont mis au point (Graphie) une méthode simple et élégante de lecture d'un qubit de spin électronique, partant d'un transistor gravé dans une puce en silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) qui réalise la boîte quantique, et développant, à l'aide d'une boîte quantique auxiliaire, un processus de lecture efficace basé sur une conversion du spin en charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.). Les bonnes performances de lecture obtenues font de ce résultat une avancée déterminante vers des architectures (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.) plus complexes et plus puissantes.


A gauche: image par microscopie électronique à transmission d'une découpe du composant montrant en vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé cône M, dont la...), le fil de silicium où sont localisées les boîtes quantiques et le réservoir d'électrons ("lead") et en brun les électrodes de grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de télévision. ...) (G1 et G2) contrôlant la boîte quantique auxiliaire (QD1) et la boite quantique du qubit (QD2). Le lien de la grille G1 avec le circuit de mesure de réflectométrie RF est assuré par une inductance (L'inductance d’un circuit électrique est un coefficient qui traduit le fait qu’un courant le traversant crée un champ magnétique à travers la section entourée par ce circuit. Il en résulte un flux du champ...) L. A droite: mesure du saut de tension (La tension est une force d'extension.) RF dû au changement d'état du qubit. © Institut Néel (CNRS)

Le qubit est réalisé par le piégeage d'un électron unique dans un transistor. L'électron reste dans le piège et garde sa cohérence à condition que la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) soit très basse, typiquement en-dessous de 1 kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non « Kelvin »).). Son état de spin peut être lu en profitant du principe de Pauli, c'est-à-dire en testant s'il peut ou non, en fonction de son spin, accueillir dans sa boîte un second électron. Dans ce travail, pour lire le spin de l'électron, les chercheurs ont couplé la boîte quantique du qubit à une boîte quantique auxiliaire analogue, elle-même couplée à un réservoir d'électrons et à un circuit radiofréquence (circuit LC). Le transfert d'électrons entre les boîtes est assuré par un fil de silicium et se contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) par des tensions appliquées à des électrodes (grilles) déposées par-dessus le fil (figure). On sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà....) la possibilité de transfert d'électron de la boîte auxiliaire à la boîte principale en mesurant par réflectométrie radiofréquence la modification de la résonnance du circuit LC induite par la modification de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) de la boîte auxiliaire (figure). Les chercheurs ont démontré la très grande sensibilité et la rapidité de cette méthode de lecture en obtenant un taux d'erreur inférieur à 1% pour un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de lecture de 500 μs.

Le succès du concept de qubit développé dans ce travail montre que l'intégration indispensable pour aller vers un ordinateur quantique, c'est-à-dire l'implémentation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :) d'un très grand nombre de qubits de façon la plus compacte possible, pourrait être directement réalisé sur les lignes de fabrication que l'industrie microélectronique a développées pour l'ordinateur classique.

Référence

Gate-Based High Fidelity Spin Readout in a CMOS Device, Matias Urdampilleta, David J. Niegemann, Emmanuel Chanrion, Baptiste Jadot, Cameron Spence, Pierre-André Mortemousque, Christopher Bäuerle, Louis Hutin, Benoit Bertrand, Sylvain Barraud, Romain Maurand, Marc Sanquer, Xavier Jehl, Silvano De Franceschi, Maud Vinet et Tristan Meunier, Nature Nanotechnology, le 13 mai 2019. DOI: 10.1038/s41565-019-0443-9.
Page générée en 0.009 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique