Des appareils à atomes artificiels pour stabiliser l'informatique quantique

Publié le 12 février 2020 à 14h45

L'appareil quantique mis au point par l'équipe © UNSW

Contrairement aux bits de l'informatique conventionnelle dont la valeur est forcément de 0 ou 1, les qubits de l'informatique quantique peuvent avoir les deux états à la fois (on parle de superposition). Mais cette capacité des qubits quantiques implique une instabilité qui constitue l'une des grandes difficultés de l'informatique quantique.

Des ingénieurs de l'université de Sydney pensent pourtant être parvenus à résoudre ce problème. En ajoutant des électrons à des atomes artificiels, ils ont observé une plus grande stabilité de ces composants.

La stabilité quantique à la clé

Les chercheurs ont publié les résultats de leur étude sur le site de l'UNSW. Ils affirment être parvenus à créer un « point quantique » de silicium, un endroit où les électrons des atomes peuvent être utilisés comme des qubits.

Dans une vidéo, Andrew Dzurak donne une explication avec un tableau périodique des éléments : « Si vous repensez à vos cours de sciences au lycée, vous vous souvenez peut-être d'un tableau poussiéreux accroché au mur qui répertorie tous les éléments connus dans l'ordre du nombre d'électrons, en commençant par l'hydrogène avec un électron, l'hélium avec deux, le lithium avec trois et ainsi de suite. Vous vous souvenez peut-être aussi qu'un atome avec plus d'électrons devient plus lourd, s'organisant alors en différents niveaux d'orbite appelés "couches électroniques" ("shells" en anglais, ndlr.). Il s'avère que lorsque nous créons des atomes artificiels dans nos circuits quantiques, ils ont également des couches électroniques bien organisées et prévisibles ».

L'intérêt de cette observation est que les atomes artificiels se sont avérés beaucoup plus stables que prévu. Le chercheur ajoute : « Ce qui nous passionne vraiment dans nos dernières recherches, c'est que les atomes artificiels avec un plus grand nombre d'électrons se révèlent être des qubits beaucoup plus robustes qu'on ne le pensait auparavant ».

Corriger les imperfections du silicium

Pour déterminer les raisons de cette stabilité, l'équipe a créé un appareil permettant de la tester. Ils ont appliqué à un point quantique en silicium une tension électrique via une électrode. Le physicien Andre Saraiva détaille : « Alors que nous augmentions lentement la tension, nous attirions de nouveaux électrons, l'un après l'autre, pour former un atome artificiel dans notre point quantique ». Le doctorant Ross Leon ajoute que « jusqu'à présent, les imperfections des dispositifs en silicium au niveau atomique ont perturbé le comportement des qubits, conduisant à un fonctionnement peu fiable et à des erreurs. Mais il semble que les électrons supplémentaires présents dans les couches intérieures agissent comme des "amorces" sur les imperfections du point quantique, lissant l'ensemble et donnant de la stabilité aux électrons des couches extérieures ».

Les études concernant les atomes artificiels ont été théorisées dans les années 1930, mais leurs premières expériences n'ont eu lieu que dans les années 1990. En 2013, l'UNSW a réussi à réaliser une première version en silicium de son appareil. Aujourd'hui, la stabilité de ces dispositifs est démontrée, mais les chercheurs doivent encore explorer les liaisons chimiques qui s'appliqueraient à ces atomes artificiels afin de déterminer dans quelles mesures ils pourraient donner des « molécules artificielles ». Celles-ci pourraient ensuite être utilisées dans la réalisation de réels ordinateurs quantiques.

Source : Phys.org

Par Benoît Théry

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Commentaires (7)

TotO

Pour réagir au début de l’article, en électronique il existe un état instable appelé haute impédance, qui était déjà utilisé dans l’informatique des années 70/80 pour définir un état qui est autre que 0 ou 1. Ce qui permet par exemple de coder 27 valeurs au lieu de 16 sur 4 « bit ».

ZeBigBoss

Je ne suis pas certain d’avoir tout compris, mais ce ne sont pas les électrons qui définissent ce qu’est un atome, ce sont les protons (par exemple 6 pour le carbone). Certes un atome est neutre donc il a le même nombre de protons que d’électrons. Sauf qu’il est possible de modifier le nombre d’électrons, on obtient des ions, qui restent le même atome de la même matière puisque avec le même nombre de protons (toujours du carbone avec 6 protons et 5 ou 7 électrons). Et si on ajoute des neutrons dans le noyau on a des isotopes, mais c’est toujours le nombre de protons qui compte (du carbone avec 6 protons et 8 neutrons est le bien connu carbone 14).
Et pour les électrons on parle d’orbitales, pas d’orbites. Au lycée on présente ça comme pareil, mais c’est très différent. Et justement c’est en remplissant les orbitales de façon « non naturelle » (= artificielle) en forçant un remplissage par le orbitales les plus bases qu’ils arrivent à stabiliser - si j’ai bien compris.
C’est expliqué très bien sur Wikipédia et par la chaine YouTube e-penser et plein d’autres.

Sinic

Effectivement, ce sont bien les protons qui définissent le classement du tableau périodique. Pourtant, j’ai bien vérifié, je n’ai pas fait d’erreur de traduction, le scientifique dit bien « qui répertorie tous les éléments connus dans l’ordre du nombre d’électrons, en commençant par l’hydrogène avec un électron ».

Si un atome est neutre et contient autant d’électrons que de protons, je suppose que c’était un raccourci d’Andrew Dzurak afin d’aller plus vite dans son explication.

srochain

Grosse confusion cette état de haute impédance appelé HZ n’a rien à voir avec la combinatoire de ce que l’on peut faire sur 4 bits en fonction du nombre d’état qui est donc 2 dans les ordinateurs depuis les premiers qui ont utilisé le système binaire au début des années 1940. Le HZ signifie que les sorties de portes logiques connectées sur le bus en sont électriquement isolés de ce bus et qu’un seul dispositif est autorisé à écrire sur le bus, c’est lorsqu’il quitte le HZ pour que ses messages binaires, donc 0 ou 1 puissent y circuler.
De toutes les façons sur 4 bites avec 3 états que lieu de deux ce serait 81 états qu’il serait possible de représenter sur 4 bits (3 à la puissance 4) et non 27 qui ne sont que 3 à la puissance 3.
Je ne saurais trop vous conseiller la lecture de : « De la mécanographie à l’informatique, 50 ans d’évolution » chez ISTE Editions
Cordialement
Serge Rochain

srochain

Vous avez raison, c’est le journaliste qui a rédigé l’article qui n’a pas tout compris, car le subatomique ne dois pas être son rayon. Mais ce n’est pas grave, comme on dit, le lecteur a corrigé de lui-même….

srochain

Une seule explication : Il avait trop arrosé les résultats enthousiasmant de leur expérience sur les QBITS et n’avait plus les électrons tres bien en face des protons.
A moins qu’ils n’aient réalisé un pseudo atome sans noyau (donc sans protons ni neutrons). Ce qu’ils appelleraient point quantique est une minuscule zone d’espace qu’ils appelleraient point quantique et autour duquel orbitent les électrons qu’il y ont attirés. Ces électrons se maintiendrait équidistants les uns des autres de par la répulsion réciproque causé par leur polarité commune. Nous aurions ainsi un pseudo atome d’où le nom d’atome artificiel qu’ils utilisent. Je pense qu’il s’agit plutôt de cela mais l’article en dit trop peu pour que je puisse investiguer sur le sujet.
Bien cordialement,
Serge Rochain,

PS : Finalement, ils n’ont peut-être pas trop arrosé leur découverte : -)

TotO

Je parles bien de sorties à trois états. Il est vrai que j’ai fais une erreur de formulation en écrivant « sur 4bit », lors de ma comparaison entre 27 (3x3x3) et 16 (2x2x2x2) était de montrer qu’on pouvait coder plus ainsi qu’en binaire sur 4 bit.