En laboratoire, trois qubits de silicium à 99,99 % de précision

Sur une puce de silicium, cinq spins d’électrons sont orientés par une seule ligne micro-ondes, et chacun doit être amené dans le bon état sans perturber ses voisins. C’est le problème que le Center for Emergent Matter Science du RIKEN s’est donné pour objectif de résoudre. Dans une étude publiée dans Nature Physics, son équipe rapporte que trois qubits peuvent fonctionner en même temps tout en maintenant une fidélité de porte supérieure à 99,99 %. L’expérience a utilisé un réseau de cinq qubits en silicium commandé par une seule ligne micro-ondes partagée.

Un qubit est l’équivalent quantique d’un bit : il peut prendre une combinaison de 0 et de 1. Dans les qubits de spin en silicium, cette information est stockée dans le spin d’un électron piégé dans le silicium, et elle est modifiée par des impulsions micro-ondes. Le silicium présente un avantage pratique, car l’approche est compatible avec la fabrication de semi-conducteurs déjà utilisée pour les puces informatiques. Sa faiblesse connue est que, lorsque plusieurs qubits sont pilotés en même temps, leur précision baisse généralement, et un ordinateur quantique incapable de faire fonctionner de nombreux qubits ensemble reste une petite machine.

L’équipe a commencé par cerner la cause principale de cette baisse : l’effet Stark AC, un phénomène induit par les signaux de commande micro-ondes. Il modifie les niveaux d’énergie effectifs d’un qubit et décale la phase de son état quantique. Leur protocole d’atténuation repose sur des calibrations entre paires de qubits pour compenser ces décalages de phase. Yi-Hsien Wu, premier auteur, explique que la méthode évite une calibration distincte pour chaque combinaison possible de qubits. Pris un par un, les qubits ont atteint des fidélités nettement supérieures à 99,99 % sur chacun des cinq, la meilleure approchant 99,999 %. La fidélité mesure la précision avec laquelle une opération quantique est exécutée.

Avec le protocole, les fidélités sont restées supérieures à 99,99 % lorsque jusqu’à trois qubits fonctionnaient simultanément. Avec les cinq fonctionnant ensemble, elles se sont maintenues à environ 99,9 %, un niveau que les auteurs décrivent comme proche des exigences pratiques de l’informatique quantique tolérante aux fautes. La perte résiduelle provient de la décohérence induite par la commande, une perte de cohérence quantique causée par la puissance micro-ondes plus élevée qu’exige le fonctionnement simultané. Contrairement aux décalages de phase traités par le nouveau protocole, cet effet ne se corrige pas par calibration. Camenzind affirme que des améliorations de la conception du dispositif pourraient aider.

Pour l’instant, le résultat reste au laboratoire. Il montre que des lignes de commande partagées peuvent être utilisées sans sacrifier la précision, ce qui compte pour quiconque veut connecter des dizaines, voire des centaines de qubits sans une ligne dédiée à chacun. L’objectif à long terme affiché par l’équipe est un ordinateur quantique tolérant aux fautes, construit à partir de qubits de spin en silicium. Seigo Tarucha, qui dirige un projet d’informatique quantique sur le silicium dans le cadre du Moonshot Goal 6 de la JST, qualifie la commande parallèle fiable de « une étape essentielle » vers cet objectif. Ni le RIKEN ni l’équipe n’annoncent de date pour un processeur plus grand, et l’étude n’en décrit aucun.