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Des physiciens japonais ont réussi à enchevêtrer des groupes de trois points quantiques en silicium pour la première fois. Une percée qui pourrait contribuer à rendre les ordinateurs quantiques plus polyvalents.

Une grande première

Promettant de surpasser les machines traditionnelles dans de nombreux types de tâches, les ordinateurs quantiques reposent sur une architecture augmentant de façon exponentielle leur puissance et leur vitesse de traitement. L’information est ici codée sous forme de bits quantiques (qubits), pouvant fonctionner simultanément comme des « 1 » et des « 0 » et être manipulés grâce à différentes approches surprenantes.

L’une d’entre elles est l’intrication quantique, phénomène dans lequel les particules peuvent rester reliées entre elles de telle sorte que les propriétés physiques de l’une affectent l’autre, quelle que soit la distance les séparant. Dans le contexte des ordinateurs quantiques, l’enchevêtrement des qubits permet de transférer des données et de les traiter beaucoup plus rapidement, tout en améliorant la correction des erreurs. La plupart du temps, les qubits sont enchevêtrés par paires, mais des chercheurs de l’Institut RIKEN, au Japon, ont réussi à intriquer trois qubits en silicium.

Dans ce cas, les qubits étaient constitués de petits cercles de silicium appelés points quantiques. Constituant des candidats de choix pour ce type de machines en raison de la disponibilité et de la large utilisation du silicium en électronique et de leur capacité à rester stables pendant de longues périodes, ceux-ci présentent également l’avantage de pouvoir être contrôlés avec précision, fonctionnent à des températures élevées et pourraient être mis à l’échelle relativement facilement.

Intriquer trois bits quantiques

Si de précédents travaux avaient permis d’enchevêtrer trois photons ensemble, effectuer cette opération avec autant de qubits en silicium constituait jusqu’à présent un défi insurmontable. « L’enchevêtrement à deux qubits est suffisamment bon pour effectuer des calculs logiques fondamentaux », explique Seigo Tarucha, auteur principal de la nouvelle étude, parue dans la revue Nature Nanotechnology. « Mais un système à trois qubits est l’unité minimale pour passer à l’échelle supérieure et mettre en œuvre la correction des erreurs. »

Le nouveau dispositif est composé de trois points quantiques, contrôlés par des portes en aluminium. Chacun d’entre eux contient un seul électron, représentant un « 1 » ou un « 0 » selon son état de spin. Un gradient de champ magnétique maintient les fréquences de résonance des qubits séparés, afin qu’elles puissent être manipulées individuellement.

Pour intriquer les trois qubits, l’équipe a commencé par en enchevêtrer deux, en utilisant une unité commune des ordinateurs quantiques connue sous le nom de « porte à deux qubits », puis a enchevêtré le troisième qubit avec ladite porte. Le réseau de trois qubits ainsi obtenu présentait une fidélité élevée de 88 %, indiquant la probabilité qu’un qubit se trouve dans l’état « correct » lorsque mesuré.

Image au microscope électronique à balayage du nouveau dispositif. Les portes en aluminium sont représentées en vert et violet (fausses couleurs)

Vers des systèmes comprenant 50 à 100 qubits

Comme évoqué plus haut, cette intrication robuste serait particulièrement utile pour la correction des erreurs. Dans les ordinateurs quantiques, les qubits ont tendance à changer d’état de manière aléatoire et à perdre les informations qu’ils contiennent, et les méthodes de correction fonctionnant bien pour les ordinateurs traditionnels ne sont pas transposables à ce type de machines.

Alors que certaines puces quantiques expérimentales s’appuient sur des grilles de neuf qubits pour cette opération, le procédé utilisé par IBM utilise des qubits non intriqués qui surveillent leurs voisins enchevêtrés.

« Nous prévoyons de démontrer la correction d’erreurs primitive à l’aide du dispositif à trois qubits et de fabriquer dans un avenir proche des puces en comportant 10 ou plus », explique Tarucha. « À terme, l’objectif sera d’atteindre 50 à 100 qubits et de mettre en œuvre des protocoles de correction d’erreurs plus sophistiqués, ouvrant la voie à un ordinateur quantique à grande échelle d’ici une décennie. »

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