Ordinateur quantique: une petite fille sur une balançoire...
Publié par Redbran le 28/12/2019 à 14:00
Source: CEA IRIG
Des chercheurs du CEA IRIG, en collaboration avec le CEA-Leti et l'Institut Néel, viennent de démontrer une nouvelle méthode de lecture de l'état d'un bit quantique (qubit) compatible avec une intégration à grande échelle.

Le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même...) de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) est aujourd'hui utilisé en tant que support d'une information quantique par un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'équipes de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) pour développer la spintronique quantique. Ce champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de recherche a pour ambition de poser les fondements d'une électronique quantique basée sur des spins uniques avec comme fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans...) de lance la réalisation d'un l'ordinateur quantique (Un ordinateur quantique (ou rarement calculateur quantique) repose sur des propriétés quantiques de la matière : superposition et intrication d'états quantiques. De petits ordinateurs...) utilisant des bits quantiques (qubits) de spin. Une collaboration grenobloise faisant intervenir des chercheurs de l'Irig, du CEA-Leti et de l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) Néel travaille actuellement sur cette nouvelle électronique en utilisant la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) CMOS. Cette collaboration vient de réaliser une nouvelle lecture originale d'un qubit (On nomme qubit (quantum + bit ; prononcé /kyoobit/), parfois écrit qbit, l'état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d'information quantique. Il se compose...) de spin dans le silicium.

Avant d'entrer dans les détails de ce résultat, commençons par une analogie. Imaginons une petite fille faisant de la balançoire (La balançoire est un loisir pour les enfants, généralement de plein air, qui consiste à se balancer sur une planche accrochée à un portique.) et focalisons-nous sur ces deux pouces (Figure A).


A - Petite fille sur une balançoire. La fréquence de la balançoire dépend finement de l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la...) de ses pouces.

En fonction de leur orientation vers le haut ou vers le bas, la répartition de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) de l'enfant subira de très légères variations qui induiront une modification extrêmement faible de la fréquence de balancement. S'il est possible d'en mesurer très précisément la fréquence, alors il devient théoriquement envisageable de savoir si l'enfant a ses pouces tous les deux orientés dans la même direction (parallèles) ou positionnés en sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...) opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont...) (antiparallèles). Imaginons de remplacer les pouces de la petite fille par 2 spins, et la balançoire par un résonateur électrique inductif/capacitif (LC), nous avons alors une image de l'expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences répétées la validité d'une hypothèse et à obtenir des données quantitatives permettant de l'affiner. Elle est pratiquée par un ou des...) mise en place par les physiciens grenoblois pour permettre la lecture d'un qubit de spin.

Les chercheurs ont mis au point (Graphie) un dispositif de qubit de spin (Figure B) dont l'une des propriétés remarquables est que sa capacité électrique (La capacité représente la quantité de charge électrique stockée pour un potentiel électrique donné. Elle est définie comme étant la somme des charges électriques d'un élément divisé par le potentiel de...) dépend très légèrement de l'orientation des spins.


B - Schémas de principe de l'installation.

L'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) utilisé est un transistor nanofil à 2 grilles en silicium sur isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants...). Proche du zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des...) absolu, il est possible d'isoler deux spins dans le nanofil chacun sous une grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de télévision. Une grille de contrôle est un...). La grille 1 est connectée à un résonateur LC et la grille 2 à un générateur micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre l'infrarouge et les ondes de radiodiffusion. Le terme de micro-onde provient du fait que ces...) capable d'induire la précession (La précession est le nom donné au changement graduel d'orientation de l'axe de rotation d'un objet ou, de façon plus générale, d'un vecteur sous...) de spin. Le résonateur LC est lu par un montage de réflectométrie.

Ces variations de capacité seront alors détectées par le résonateur LC dont la fréquence de résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence...) est extrêmement sensible à ces variations. En faisant tourner l'un des spins au moyen d'une excitation micro-onde, les chercheurs ont été en mesure de démontrer que la lecture du spin est effective. Le système à deux spins oscille alors entre un état parallèle et un état antiparallèle. L'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le...) se traduit alors par une légère variation de la fréquence de résonance du résonateur LC (Figure C).


C - L'oscillation entre un état parallèle et un état anti-parallèle se traduit par une légère oscillation de la fréquence de résonance du résonateur LC. La variation de fréquence est montrée en couleur en fonction de la fréquence et du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'excitation du spin. Les oscillations de la fréquence résultent de la précession de spins dans le transistor silicium.

Références publication:
Crippa A, Ezzouch R, Aprá A, Amisse A, Laviéville R, Hutin L, Bertrand B, Vinet M, Urdampilleta M, Meunier T, Sanquer M, Jehl X, Maurand R and De Franceschi S. Gate-reflectometry dispersive readout and coherent (Le systèmes d'exploitation Coherent a été créé en 1983 par la défunte Mark Williams Company comme l'un des premiers systèmes de type UNIX pour...) control of a spin qubit in silicon. Nature Communications, 2019
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