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Saut quantique
Une équipe internationale de chercheurs a montré qu'il peut contrôler l'état quantique d'un seul électron dans un transistor au silicium, même en plaçant l'électron à deux endroits à la fois. Leur découverte pourrait aider à ouvrir la voie à un ordinateur quantique pratique.
Gardien de clôture : Un modèle informatique montre un atome d'arsenic avec un électron qui se trouve dans deux états quantiques distincts en même temps. Une équipe internationale de chercheurs a confirmé expérimentalement les prédictions du modèle.
Les ordinateurs quantiques tirent parti des propriétés étranges des particules subatomiques pour effectuer certains types de calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. Les chercheurs explorent une multitude d'approches différentes de l'informatique quantique, et certains ont même construit des circuits quantiques primitifs capables d'effectuer des calculs. Mais l'informatique quantique pratique nécessiterait la capacité de fabriquer des appareils avec des millions de circuits quantiques - plutôt que les 12 ou 16 réalisables maintenant - qui peuvent être intégrés à une électronique plus conventionnelle.
Une approche théorique de l'électronique quantique pratique consiste à utiliser l'électronique conventionnelle – de minuscules transistors à semi-conducteurs – pour contrôler l'état d'un système quantique. Des chercheurs dirigés par Sven Rogge , chercheur à l'Université de technologie de Delft, aux Pays-Bas, a réalisé les premières expériences pratiques pour vérifier les prédictions théoriques de l'approche. L'équipe, qui comprenait également des chercheurs de Université Purdue ; la Université de Melbourne , en Australie; et IMEC , en Belgique, a découvert qu'il pouvait contrôler l'état quantique d'un seul électron simplement en modifiant la tension appliquée à un transistor. Cela représente une belle étape vers les futurs appareils où les performances sont déterminées par la manipulation d'états quantiques d'atomes uniques, déclare Thomas Schenkel, scientifique à Laboratoire national Lawrence Berkeley .
Les chercheurs ont utilisé des transistors préfabriqués construits pour la recherche en nanotechnologie, chacun composé de deux nanofils de silicium croisés. L'un des nanofils, celui du bas, était connecté à des électrodes contenant de l'arsenic. Lorsque ce fil était chargé, il attirait parfois des atomes d'arsenic dans le transistor. Après avoir appliqué une tension sur environ 100 transistors, l'équipe a trouvé six qui semblaient avoir des atomes d'arsenic individuels intégrés dans le nanofil. Ils ont ensuite découvert que la variation de la tension sur le fil supérieur contrôlerait l'état quantique de l'un des électrons de l'atome. En utilisant une technique d'imagerie appelée spectroscopie à effet tunnel, ils ont pu distinguer trois états des atomes dans les six appareils. L'un de ces états correspondait au fait que l'électron se trouvait à deux endroits en même temps, une propriété nécessaire à l'informatique quantique.
Mais pour comprendre le comportement d'un atome, il faut en modéliser des millions, dit Rogge. Alors lui et ses collègues ont utilisé un programme standard appelé NEMO 3D caractériser un système à grande échelle contenant 1,4 million d'atomes. Ils ont constaté que les mesures de leur système modèle étaient en bon accord avec les résultats de la spectroscopie. C'est vraiment cool de voir à quel point leurs simulations peuvent décrire des transistors dopés aléatoirement, qui sont tous différents dans les détails, dit Schenkel.
États modifiés: À mesure que le champ électrique induit par un nanofil de silicium (gris) augmente, un électron dans un atome d'arsenic passe de son état fondamental (à gauche) à un état excité (à droite). Au cours de cette transition, l'électron entre dans un état hybridé (milieu) dans lequel il se trouve simultanément dans les deux autres états. En théorie, un tel électron pourrait servir de qubit dans un ordinateur quantique.
Selon la force du champ électrique créé par le nanofil supérieur, un électron pourrait être trouvé dans l'un des trois états. À de faibles champs électriques, l'électron restait lié à l'atome d'arsenic. À des champs électriques élevés, l'électron a été retiré de l'atome. Mais lorsque le champ électrique était juste au bon niveau, l'électron serait aux deux endroits à la fois.
Pour qu'un ordinateur quantique fonctionne, ses qubits - l'équivalent quantique des bits d'un ordinateur classique - doivent être intriqués : leurs états quantiques doivent être couplés les uns aux autres. Retirer un électron de son atome pourrait être un moyen intéressant de coupler des qubits adjacents, explique Schenkel.
Bien que ce résultat soit important, le véritable défi de la fabrication de futurs dispositifs à dopant unique consiste à déterminer comment positionner les [atomes d'arsenic] dans l'hôte en silicium avec la précision requise, explique Bruce Kane , chercheur à l'Université du Maryland. Les chercheurs ont trouvé leurs six appareils par hasard ; pour produire des circuits fonctionnels, ils devraient être capables de positionner de manière plus fiable des atomes d'arsenic ou d'un autre matériau dans les transistors.
Alors que les chercheurs espèrent à terme pouvoir contrôler la position des atomes dans le transistor, notre prochaine étape consiste à ajouter un deuxième électron et à voir ce qui arrive à la configuration de l'état électronique, explique Gabri Lansbergen, un autre chercheur de Delft. Dans un futur lointain, ajoute Rogge, nous aimerions expérimenter plusieurs [matériaux] et voir comment ils interagissent.