La machine de calcul quantique de l'atome de phosphore

À la fin des années 90, un physicien australien a proposé la conception d'un ordinateur quantique. Bruce Kane a suggéré que les atomes de phosphore incorporés dans le silicium seraient le moyen idéal pour stocker et manipuler l'information quantique.

Son idée était que le noyau de l'atome de phosphore pourrait stocker un seul qubit pendant de longues périodes de temps dans la façon dont il tourne. Un champ magnétique pourrait facilement traiter ce qubit en utilisant des techniques bien connues de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire. Cela permettrait des manipulations à un seul qubit mais pas des opérations à deux qubits, car les spins nucléaires n'interagissent pas de manière significative les uns avec les autres.

Pour cela, il a suggéré de transférer le spin à un électron en orbite autour de l'atome de phosphore, qui interagirait beaucoup plus facilement avec un électron en orbite autour d'un atome de phosphore voisin. Des opérations à deux qubits seraient alors possibles en manipulant les deux électrons avec des champs électriques.

Le gros avantage de l'ordinateur quantique Kane qui excitait de nombreux physiciens à l'époque était qu'il était évolutif. Étant donné que chaque atome peut être adressé individuellement à l'aide de circuits électroniques standard, il est simple d'augmenter la taille de l'ordinateur en ajoutant plus d'atomes et de leur attirail électronique associé, puis de le connecter à un ordinateur conventionnel.

Construire un ordinateur quantique Kane est devenu presque une obsession en Australie, où une centaine de chercheurs travaillent sur le problème depuis plus d'une décennie.

Ils ont fait des percées telles que la possibilité d'implanter des atomes de phosphore à des emplacements précis dans le silicium à l'aide d'un microscope à effet tunnel. Ils ont également été en mesure de traiter les spins nucléaires de ces atomes de phosphore à l'aide de puissants champs magnétiques.

Mais le grand défi non résolu a été de trouver un moyen de traiter le spin d'un électron individuel en orbite autour d'un atome de phosphore et de lire sa valeur.

Aujourd'hui, Jarryd Pla de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud à Sydney et quelques amis disent avoir réussi cette tâche pour la première fois.

Ces gars ont implanté un seul atome de phosphore dans une nanostructure de silicium et l'ont placé dans un champ magnétique puissant à une température proche du zéro absolu. Ils ont ensuite pu inverser l'état d'un électron en orbite autour de l'atome de phosphore en le zappant avec des micro-ondes.

La dernière étape, un défi important en soi, consistait à lire l'état de l'électron à l'aide d'un processus connu sous le nom de conversion spin-to-charge.

Le résultat final est un appareil qui peut stocker et manipuler un qubit et qui a le potentiel d'effectuer des opérations logiques à deux qubits avec des atomes à proximité ; en d'autres termes, le bloc de construction fondamental d'un ordinateur quantique évolutif.

Ces résultats indiquent que le spin électronique d'un seul atome de phosphore dans le silicium est une excellente plate-forme sur laquelle construire un ordinateur quantique évolutif, selon l'équipe.

Cela semble être une grande avancée pour les efforts de l'Australie pour créer un ordinateur quantique évolutif.

Cependant, une concurrence féroce est apparue au cours des 15 années écoulées depuis que Kane a publié son design original. En particulier, les physiciens ont trouvé un moyen simple de stocker et de traiter l'information quantique dans les défauts de lacune d'azote dans le diamant.

Ensuite, il y a D-Wave Systems, qui fabrique déjà un ordinateur quantique évolutif fonctionnant d'une manière entièrement différente qu'il a vendu à des sociétés telles que Lockheed Martin et Google.

Le gros avantage de la conception australienne est sa compatibilité avec l'industrie existante de fabrication de puces à base de silicium. En théorie, il sera simple d'intégrer cette technologie dans les futures puces.

Il est difficile de dire si c'est ce qui se passera dans la pratique. Être le premier sur le marché est un gros avantage dans le monde de la haute technologie et le design australien est encore à des années de sortir des laboratoires.

Il y a beaucoup d'obstacles à venir qui pourraient faire tomber n'importe laquelle de ces technologies émergentes. Cette course est loin d'être terminée.

Réf : arxiv.org/abs/1305.4481 : Un qubit de spin électronique à un seul atome dans le silicium

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