Une illustration de la plate-forme Qubit faite d'un seul électron sur un néon solide.Les chercheurs ont gelé le gaz néon dans un solide à très basses températures, pulvérisé les électrons d'une ampoule sur le solide et piégé un seul électron pour créer un qubit.Crédit: gracieuseté du Dafei Jin / Argonne National Laboratory
L'appareil numérique que vous utilisez pour afficher cet article utilise sans aucun doute le bit, qui peut être 0 ou 1, car son unité d'information de base.Cependant, les scientifiques du monde entier courent pour développer un nouveau type d'ordinateur basé sur l'utilisation de bits quantiques, ou qubits, qui peuvent simultanément être 0 et 1 et pourraient un jour résoudre des problèmes complexes au-delà de tous les superordinateurs classiques.
Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques du U.S.Le laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie (DOE), en étroite collaboration avec le FAMU-FSU College of Engineering, professeur agrégé de génie mécanique Wei Guo, a annoncé la création d'une nouvelle plate-forme de qubit qui montre une grande promesse d'être développée en futurs ordinateurs quantiques. Their work is published in the journal Nature.
"Les ordinateurs quantiques pourraient être un outil révolutionnaire pour effectuer des calculs qui sont pratiquement impossibles pour les ordinateurs classiques, mais il y a encore du travail à faire pour faire de leur réalité", a déclaré Guo, co-auteur de papier.«Avec cette recherche, nous pensons que nous avons une percée qui contribue grandement à créer des qubits qui aident à réaliser le potentiel de cette technologie."
L'équipe a créé son qubit en congelant des gaz néon en un solide à des températures très basse, en pulvérisant des électrons d'une ampoule sur le solide et en piégeant un seul électron là-bas.
FAMU-FSU College of Engineering Professeur agrégé de génie mécanique Wei Guo.Crédit: Florida State University
Bien qu'il existe de nombreux choix de types de qubit, l'équipe a choisi la plus simple - un seul électron.Le chauffage d'un filament léger simple comme vous pourriez trouver dans un jouet pour enfant peut facilement tirer une alimentation illimitée d'électrons.
Une qualité importante pour les qubits est leur capacité à rester dans un état simultané de 0 ou 1 pendant longtemps, connu sous le nom de «temps de cohérence." That time is limited, and the limit is determined by the way qubits interact with their environment.Les défauts du 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 ultra-ulante dans un vide.Le néon est l'un des six éléments inertes, ce qui signifie qu'il ne réagit pas avec d'autres éléments.
“Because of this inertness, solid neon can serve as the cleanest possible solid in a vacuum to host and protect any qubits from being disrupted," said Dafei Jin, an Argonne scientist and the principal investigator of the project.
En utilisant un résonateur supraconducteur à l'échelle des puces - comme un four à micro-ondes miniatures - l'équipe a pu manipuler les électrons piégés, leur permettant de lire et de stocker des informations à partir du qubit, ce qui le rend utile pour une utilisation dans de futurs ordinateurs quantiques.
Des recherches antérieures ont utilisé l'hélium liquide comme milieu pour tenir les électrons.Ce matériau était facile à faire exempt de défauts, mais les vibrations de la surface sans liquide pouvaient facilement perturber l'état d'électrons et donc compromettre les performances du qubit.
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 de qubit en temps réel à l'aide de photons micro-ondes sur un électron piégé et caractérisé ses propriétés quantiques.Ces tests ont démontré que le néon solide a fourni un environnement robuste pour l'électron avec un bruit électrique très faible pour le déranger.Plus important encore, le qubit a atteint des temps de cohérence dans l'état quantique compétitif 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 l'informatique quantique réside dans la capacité de cette technologie de nouvelle génération à calculer certains problèmes beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques.Les chercheurs visent à combiner de longs temps de cohérence avec la capacité de plusieurs qubits à se connecter ensemble - connu sous le nom d'intrication.Les ordinateurs quantiques pourraient ainsi trouver les réponses aux problèmes qui prendraient un ordinateur classique de nombreuses années à résoudre.
Considérez un problème où les chercheurs veulent trouver la configuration d'énergie la plus faible d'une protéine faite de nombreux acides aminés.Ces acides aminés peuvent se replier sur des milliards de façons qu'aucun ordinateur classique n'a la mémoire à gérer.Avec l'informatique quantique, on peut utiliser des qubits enchevêtrés pour créer une superposition de toutes les configurations pliantes - offrant la possibilité de vérifier toutes les réponses possibles en même temps et de résoudre le problème plus efficacement.
“Researchers would just need to do one calculation, instead of trying trillions of possible configurations," Guo said.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir la nouvelle percée de qubit pourrait révolutionner l'informatique quantique.
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.Les contributeurs de l'Université de Chicago étaient David Schuster et Brennan Dizdar.D'autres co-auteurs étaient Kater Murch de l'Université de Washington à ST.Louis, Gerwin Koolstra de Lawrence Berkeley National Laboratory et Ge Yang du Massachusetts Institute of Technology.
Le financement de la recherche Argonne provenait principalement du Doe Office of Basic Energy Sciences, du programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire d'Argonne et le Julian Schwinger Foundation for Physics Research.Guo est soutenu par la National Science Foundation et le National High Magnetic Field Laboratory.
