Intriquer et détecter deux spins dans un transistor

Le calcul quantique repose sur l’utilisation des lois de la mécanique quantique pour traiter certaines opérations de manière radicalement différente des ordinateurs classiques. Son développement nécessite cependant de pouvoir contrôler un grand nombre d’unités de base, les qubits, tout en préservant avec une très grande efficacité l’état quantique de ces derniers. Parmi les différentes réalisations possibles pour ces qubits, les qubits de spin dans le silicium constituent une voie particulièrement prometteuse pour relever ce défi : ils peuvent être en effet confinés dans des structures de type transistors et contrôlés électriquement, tout en bénéficiant de l’excellente maturité technologique de l’industrie du silicium et des procédés CMOS. Exploiter ce potentiel industriel est essentiel pour développer des architectures quantiques intégrant un grand nombre de qubits et rapprocher les processeurs quantiques des capacités d’intégration déjà atteintes par la microélectronique.

Ces recherches ont été menées dans le laboratoire CNRS suivant :

• Institut Néel (NEEL, CNRS)

L’une des difficultés majeures pour passer à grande échelle réside dans le contrôle et la lecture simultanée d’un grand nombre de qubits, ce qui nécessite aujourd’hui un nombre important de connexions et de composants électroniques. Une collaboration entre des scientifiques et la startup Quobly, a permis de réaliser récemment une “brique élémentaire” de calcul quantique avec les mêmes technologies que les puces électroniques classiques. Dans ce dispositif, l’information quantique est portée par le spin des électrons, une propriété intrinsèque de ces particules. L’innovation principale du travail est la façon de lire cette information tout en la manipulant de manière cohérente. Au lieu d’utiliser des détecteurs complexes qui prennent une place considérable sur les puces quantiques, les auteurs utilisent ici un circuit électrique très simple dans lequel une onde radiofréquence circule et va venir se réfléchir sur le qubit. Les variations extrêmement faibles de l’état électronique du qubit modifient l’amplitude et la phase de l’onde radio, permettant ainsi de détecter l’état du qubit après démodulation du signal. Cette méthode permet une lecture rapide et fiable des qubits. De plus, ces travaux ont montré que l’information quantique stockée dans ces qubits n’était pas affectée par l’interaction avec le signal radiofréquence, un point crucial dans le développement de systèmes quantiques à longue cohérence.

Ces résultats montrent que cette approche peut être mise en œuvre sur des dispositifs fabriqués dans un environnement technologique proche de celui de l’industrie des circuits intégrés. Ils démontrent ainsi qu’il est possible d’associer les performances des qubits de spin en silicium aux techniques de fabrication de la microélectronique, tout en réduisant la complexité du câblage nécessaire au contrôle et à la lecture des qubits. À plus long terme, l’intégration de qubits fabriqués selon des technologies CMOS avec des circuits de contrôle et de lecture directement intégrés au processeur pourrait permettre de réduire considérablement la complexité des architectures quantiques et de faciliter leur passage à l’échelle. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Electronics.