La recherche théorique promet de faire progresser le traitement modulaire de l’information quantique

Le fonctionnement d’un ordinateur quantique repose sur le codage et le traitement d’informations sous forme de bits quantiques, définis par deux états de systèmes quantiques tels que les électrons et les photons. Contrairement aux bits binaires utilisés dans les ordinateurs classiques, les bits quantiques peuvent exister simultanément dans une combinaison de zéro et de un, ce qui leur permet en principe d’effectuer certains calculs de manière exponentiellement plus rapidement que les plus grands supercalculateurs actuels.

Pour atteindre leur plein potentiel, les ordinateurs quantiques ont besoin de millions de bits quantiques, ou qubits. Mais un défi se pose lorsque les systèmes de traitement de l’information quantique sont dimensionnés pour atteindre de nombreux qubits. Une électronique extrêmement complexe est nécessaire pour contrôler ne serait-ce que quelques qubits et la mise à l’échelle de ces circuits complexes représente un obstacle majeur.

Dans une étude théorique récente, une équipe de physiciens dirigée par Vanita Srinivasa, professeure à l’Université de Rhode Island, envisage un système modulaire permettant de faire évoluer les processeurs quantiques avec un moyen flexible de relier les qubits sur de longues distances pour leur permettre de travailler de concert pour effectuer des opérations quantiques. La capacité à effectuer de telles opérations corrélées ou « d’enchevêtrement » entre les qubits reliés est à la base de la puissance accrue de l’informatique quantique par rapport aux ordinateurs actuels.

Un nouvel article sur leurs recherches, co-écrit par Srinivasa, Jacob M. Taylor de l’Université du Maryland et du National Institute of Standards and Technology, et Jason R. Petta de l’Université de Californie à Los Angeles, a récemment été publié dans la revue PRX Quantique.

« Chaque qubit d’un ordinateur quantique fonctionne à une fréquence spécifique. Pour exploiter les capacités propres à un ordinateur quantique, il faut pouvoir contrôler chaque qubit individuellement via une fréquence distincte, ainsi que relier des paires de qubits en faisant correspondre leurs fréquences », a déclaré Srinivasa, directeur du programme de science de l’information quantique de l’URI et professeur adjoint de physique.

« Lorsqu’un processeur quantique est adapté à un plus grand nombre de qubits, il devient très difficile de réaliser simultanément ces deux opérations pour chaque qubit. Dans notre travail, nous décrivons comment l’application de tensions oscillantes génère efficacement des fréquences supplémentaires pour chaque qubit afin de relier plusieurs qubits sans avoir à faire correspondre toutes leurs fréquences d’origine. Cela permet de relier les qubits tout en permettant à chaque qubit de conserver une fréquence distincte pour un contrôle individuel. »

L’utilisation de semi-conducteurs pour construire des processeurs quantiques est en principe très prometteuse pour faire évoluer les qubits vers un grand nombre. La technologie avancée des semi-conducteurs qui existe aujourd’hui constitue la base de la fabrication de puces avec des milliards de minuscules transistors et peut être exploitée pour fabriquer des qubits de taille compacte, a déclaré Srinivasa. De plus, le stockage des qubits dans une propriété interne des électrons et d’autres particules semi-conductrices connue sous le nom de spin offre une protection renforcée contre la perte d’informations quantiques inhérente à toute plate-forme de calcul quantique.

Cependant, il est très difficile en pratique de faire évoluer un processeur quantique en ajoutant simplement de plus en plus de qubits de spin et leurs circuits de contrôle associés à un seul réseau de qubits. Les travaux théoriques de Srinivasa et de ses collègues abordent ce problème en fournissant un guide étape par étape qui montre plusieurs façons d’enchevêtrer des qubits de spin sur de longues distances avec une flexibilité dans l’adaptation de leurs fréquences.

La flexibilité qui en résulte ouvre la voie au traitement modulaire de l’information quantique basé sur des semi-conducteurs, qui représente une approche alternative pour construire des systèmes à plusieurs qubits en utilisant de petits réseaux de qubits (modules) qui peuvent déjà être fabriqués aujourd’hui, et en les connectant avec des liens d’intrication robustes à longue portée.

« Cette approche de mise à l’échelle revient à construire un système plus grand en utilisant des blocs LEGO de taille fixe, qui sont comme des modules individuels, et en les reliant à l’aide de pièces plus longues qui sont suffisamment solides pour maintenir la connexion entre les blocs pendant un temps suffisant avant que des influences externes ne rompent les liens », a déclaré Srinivasa.

« Si des liaisons longue distance rapides et fiables entre les qubits sont disponibles, une telle approche modulaire permet une mise à l’échelle tout en offrant plus d’espace pour le circuit de contrôle des qubits de spin. » Les processeurs quantiques entièrement modulaires basés sur des semi-conducteurs n’ont pas encore été démontrés.

Bien qu’il existe de nombreux types de qubits et une variété correspondante de façons dont ils interagissent, les chercheurs ont choisi d’étudier les qubits de spin basés sur des points quantiques qui interagissent via des photons micro-ondes dans une cavité supraconductrice. Les points quantiques sont des structures de type atomique créées pour confiner les électrons – et d’autres particules utilisées pour définir les qubits – dans de petits espaces au sein de semi-conducteurs et les contrôler individuellement en appliquant des tensions. De même, les cavités supraconductrices sont des structures fabriquées qui confinent les photons mais sont beaucoup plus grandes que les points quantiques, avec une taille définie par la longueur d’onde des micro-ondes.

Des expériences récentes ont démontré des liens à longue distance entre des qubits de spin à points quantiques en utilisant des photons de cavité micro-ondes. (La première démonstration de deux qubits de spin dans le silicium a été réalisée par le groupe de recherche expérimentale du co-auteur Jason Petta.)

Cependant, régler toutes les fréquences des qubits et des photons de manière à ce qu’elles correspondent précisément et puissent échanger de l’énergie (une condition appelée résonance) pour établir une liaison a été un problème même au niveau de deux qubits seulement, indique l’article. Pour résoudre ce problème, les chercheurs présentent une approche hautement réglable pour relier les qubits à l’aide de photons micro-ondes qui ne repose pas sur une résonance simultanée entre toutes les fréquences des qubits et des cavités d’origine.

Dans leur article, les chercheurs fournissent des lignes directrices complètes pour des liens d’intrication longue distance personnalisés qui permettent une flexibilité en rendant plusieurs fréquences disponibles pour que chaque qubit soit lié à des photons de cavité micro-ondes d’une fréquence donnée, « comme plusieurs clés qui peuvent s’adapter à une serrure donnée », a déclaré Srinivasa.

Des fréquences supplémentaires peuvent être générées en appliquant une tension oscillante à chaque qubit de spin, ce qui déplace les spins d’avant en arrière dans les points quantiques. Si ce mouvement de va-et-vient est suffisamment rapide, deux fréquences de bande latérale, l’une plus élevée et l’autre plus basse que la fréquence du qubit d’origine, sont créées pour chaque qubit en plus de leur fréquence caractéristique.

L’ajout des fréquences de bande latérale permet de régler chaque qubit de trois manières différentes en résonance avec les photons de la cavité micro-onde, et par conséquent de créer neuf conditions différentes dans lesquelles deux qubits peuvent être liés.

Cette flexibilité dans les conditions de résonance faciliterait grandement l’ajout de qubits à un système, car ils n’auraient pas besoin d’être tous réglés sur la même fréquence. De plus, les neuf façons de relier deux qubits permettent de sélectionner plusieurs types d’opérations d’intrication différents en réglant simplement les tensions oscillantes de manière appropriée, sans avoir à modifier la structure des points quantiques ou des photons de la cavité.

La polyvalence des types de liens d’intrication permet d’élargir l’ensemble des opérations quantiques élémentaires avec lesquelles effectuer des calculs. Enfin, les chercheurs montrent que leur méthode d’intrication proposée est moins sensible à la fuite de photons hors de la cavité que les approches précédentes, ce qui permet d’obtenir des liens longue distance plus robustes entre les qubits de spin.

« La combinaison de la flexibilité dans l’adaptation des fréquences, de la polyvalence dans l’adaptation des types d’opérations d’intrication quantique entre les qubits et de la sensibilité réduite aux fuites de photons de cavité rend notre approche basée sur la fréquence de bande latérale proposée prometteuse pour la réalisation d’un processeur quantique modulaire utilisant des qubits semi-conducteurs », a déclaré Srinivasa.

« J’attends avec impatience la prochaine étape, qui consistera à appliquer ces idées à de véritables dispositifs quantiques en laboratoire et à découvrir ce que nous devons faire pour que cette approche fonctionne dans la pratique. »