Une nouvelle méthode pour contrôler le spin des électrons ouvre la voie à des ordinateurs quantiques efficaces

[ad_1]

La science quantique a le potentiel de révolutionner la technologie moderne avec des ordinateurs, des dispositifs de communication et de détection plus efficaces. Cependant, des défis subsistent dans la réalisation de ces objectifs technologiques, notamment la manière de manipuler avec précision les informations dans les systèmes quantiques.

Dans un article publié dans Physique naturelleun groupe de chercheurs de l’Université de Rochester, dont John Nichol, professeur agrégé de physique, décrit une nouvelle méthode pour contrôler le spin des électrons dans les points quantiques de silicium – de minuscules semi-conducteurs à l’échelle nanométrique aux propriétés remarquables – comme moyen de manipuler l’information dans un système quantique.

« Les résultats de l’étude fournissent un nouveau mécanisme prometteur pour le contrôle cohérent des qubits basé sur le spin des électrons dans les points quantiques semi-conducteurs, ce qui pourrait ouvrir la voie au développement d’un ordinateur quantique pratique à base de silicium », a déclaré Nichol.

Utilisation de points quantiques comme qubits

Un ordinateur ordinaire se compose de milliards de transistors, appelés bits. Les ordinateurs quantiques, quant à eux, sont basés sur des bits quantiques, également appelés qubits. Contrairement aux transistors ordinaires, qui peuvent être « 0 » (off) ou « 1 » (on), les qubits sont régis par les lois de la mécanique quantique et peuvent être à la fois « 0 » et « 1 » en même temps.

Les scientifiques envisagent depuis longtemps d’utiliser des points quantiques de silicium comme qubits ; contrôler le spin des électrons dans les points quantiques offrirait un moyen de manipuler le transfert d’informations quantiques. Chaque électron d’un point quantique a un magnétisme intrinsèque, comme un petit barreau aimanté. Les scientifiques appellent cela « le spin de l’électron » – le moment magnétique associé à chaque électron – parce que chaque électron est une particule chargée négativement qui se comporte comme si elle tournait rapidement, et c’est ce mouvement effectif qui donne naissance au magnétisme.

Le spin électronique est un candidat prometteur pour le transfert, le stockage et le traitement des informations en informatique quantique car il offre de longs temps de cohérence et des fidélités de grille élevées et est compatible avec les techniques avancées de fabrication de semi-conducteurs. Le temps de cohérence d’un qubit est le temps avant que l’information quantique ne soit perdue en raison d’interactions avec un environnement bruyant ; une cohérence longue signifie un temps plus long pour effectuer des calculs. Une fidélité de porte élevée signifie que l’opération quantique que les chercheurs tentent d’effectuer est effectuée exactement comme ils le souhaitent.

Cependant, l’un des principaux défis liés à l’utilisation de points quantiques en silicium comme qubits est le contrôle du spin des électrons.

Contrôler le spin des électrons

La méthode standard pour contrôler le spin électronique est la résonance de spin électronique (ESR), qui consiste à appliquer des champs magnétiques radiofréquence oscillants aux qubits. Cependant, cette méthode présente plusieurs limites, notamment la nécessité de générer et de contrôler avec précision les champs magnétiques oscillants dans des environnements cryogéniques, où la plupart des qubits de spin électronique sont exploités. Typiquement, pour générer des champs magnétiques oscillants, les chercheurs envoient un courant à travers un fil, ce qui génère de la chaleur, qui peut perturber les environnements cryogéniques.

Nichol et ses collègues décrivent une nouvelle méthode pour contrôler le spin des électrons dans les points quantiques de silicium qui ne repose pas sur les champs électromagnétiques oscillants. La méthode est basée sur un phénomène appelé « couplage spin-vallée », qui se produit lorsque les électrons des points quantiques de silicium passent d’un état de spin à l’autre. Alors que l’état de spin d’un électron fait référence à ses propriétés magnétiques, l’état de vallée fait référence à une propriété différente liée au profil spatial de l’électron.

Les chercheurs appliquent une impulsion de tension pour exploiter l’effet de couplage spin-vallée et manipuler les états de spin et de vallée, en contrôlant le spin des électrons.

« Cette méthode de contrôle cohérent, par couplage spin-vallée, permet un contrôle universel sur les qubits et peut être effectuée sans avoir besoin de champs magnétiques oscillants, ce qui est une limitation de l’ESR », explique Nichol. « Cela nous ouvre une nouvelle voie pour utiliser des points quantiques en silicium pour manipuler des informations dans des ordinateurs quantiques. »

[ad_2]

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

*