Progrès Majeur dans les Qubits de Type Transistor

Une équipe de chercheurs en Australie a récemment réalisé une avancée significative dans le domaine des ordinateurs quantiques basés sur des semi-conducteurs en oxyde métallique (MOS). Ils ont démontré que leurs portes à deux qubits, qui sont des opérations logiques impliquant plusieurs bits quantiques, fonctionnent sans erreurs dans 99 % des cas. Ce chiffre est crucial, car il représente le seuil nécessaire pour effectuer des corrections d’erreurs, jugées indispensables pour la construction d’ordinateurs quantiques à grande échelle. De plus, ces ordinateurs quantiques basés sur MOS sont compatibles avec la technologie CMOS existante, ce qui facilitera la fabrication d’un grand nombre de qubits sur une seule puce, contrairement à d’autres techniques.

« Atteindre plus de 99 % est significatif, car cela est considéré par beaucoup comme le seuil de correction d’erreurs. Si votre fidélité est inférieure à 99 %, il est peu probable que vos efforts de correction d’erreurs soient efficaces », explique Yuval Boger, directeur commercial de QuEra, une entreprise de calcul quantique qui n’a pas participé à cette recherche. « Vous ne pourrez jamais corriger les erreurs plus rapidement qu’elles ne s’accumulent. »

Une Diversité de Plateformes en Compétition

Dans la course pour développer un ordinateur quantique fonctionnel, de nombreuses plateformes sont en concurrence. IBM, Google et d’autres construisent leurs machines à partir de qubits supraconducteurs. Quantinuum et IonQ utilisent des ions piégés individuels, tandis que QuEra et Atom Computing exploitent des atomes neutres. Xanadu et PsiQuantum misent sur les photons. La liste est longue.

Dans cette nouvelle avancée, une collaboration entre l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) et la startup Diraq, avec des contributions du Japon, d’Allemagne, du Canada et des États-Unis, a adopté une approche différente : piéger des électrons uniques dans des dispositifs MOS. « Notre objectif est de créer des qubits aussi proches que possible des transistors traditionnels », déclare Tuomo Tanttu, chercheur à l’UNSW qui a dirigé ce projet.

Qubits Inspirés des Transistors

Ces qubits ressemblent effectivement à des transistors classiques, étant configurés pour contenir un seul électron dans le canal. L’un des principaux avantages de cette méthode est qu’elle peut être fabriquée en utilisant des technologies CMOS traditionnelles, rendant théoriquement possible l’échelle à des millions de qubits sur une seule puce. Un autre atout est que les qubits MOS peuvent être intégrés sur la même puce que des transistors standards, facilitant ainsi l’entrée, la sortie et le contrôle, selon Andrew Dzurak, PDG de Diraq.

Cependant, cette approche présente un inconvénient : les qubits MOS ont historiquement souffert de variabilité d’un dispositif à l’autre, entraînant un bruit significatif sur les qubits. « La sensibilité des qubits MOS est plus élevée que celle des transistors, car dans ces derniers, vous avez toujours 20, 30 ou 40 électrons transportant le courant. Dans un dispositif qubit, vous ne travaillez qu’avec un seul électron », précise Ravi Pillarisetty, ingénieur senior chez Intel en matériel quantique, qui n’a pas participé à cette recherche.

Analyse des Sources de Variabilité

Les résultats de l’équipe ont non seulement démontré une fonctionnalité précise à 99 % sur les portes à deux qubits des dispositifs testés, mais ont également permis de mieux comprendre les sources de variabilité entre dispositifs. L’équipe a testé trois dispositifs, chacun avec trois qubits. En plus de mesurer le taux d’erreur, ils ont mené des études approfondies pour identifier les mécanismes physiques sous-jacents contribuant au bruit.

Les chercheurs ont découvert que l’une des sources de bruit provenait des impuretés isotopiques dans la couche de silicium, qui, lorsqu’elles sont contrôlées, réduisent considérablement la complexité du circuit nécessaire au fonctionnement du dispositif. La deuxième cause principale de bruit était de petites variations dans les champs électriques, probablement dues à des imperfections dans la couche d’oxyde du dispositif. Tanttu indique que cela devrait s’améliorer en passant d’un environnement de salle blanche à un environnement de fonderie.

Vers une Échelle Supérieure

« C’est un excellent résultat et un grand progrès. Cela oriente la communauté vers une réflexion moins centrée sur un dispositif individuel et davantage sur la voie de l’échelle à long terme », déclare Pillarisetty. Le défi consiste maintenant à augmenter le nombre de qubits dans ces dispositifs. L’un des obstacles à l’échelle est le nombre de canaux d’entrée/sortie nécessaires. L’équipe quantique d’Intel, qui explore une technologie similaire, a récemment développé une puce appelée Pando Tree pour tenter de résoudre ce problème. Pando Tree sera sur le même plan que le processeur quantique, permettant des entrées et sorties plus rapides vers les qubits. L’équipe d’Intel espère l’utiliser pour passer à des milliers de qubits. « Une grande partie de notre approche consiste à réfléchir à la manière de faire en sorte que notre processeur qubit ressemble davantage à un CPU moderne », explique Pillarisetty.

De même, le PDG de Diraq, Dzurak, indique que son équipe prévoit de faire évoluer sa technologie vers des milliers de qubits dans un avenir proche grâce à un partenariat récemment annoncé avec Global Foundries. « Avec Global Foundries, nous avons conçu une puce qui comportera des milliers de ces qubits MOS. Ceux-ci seront interconnectés en utilisant des circuits de transistors classiques que nous avons conçus. C’est sans précédent dans le monde de l’informatique quantique », conclut Dzurak.