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Premier qubit de spin nucléaire à base de silicium et de longue durée créé par des chercheurs quantiques – High-teK.ca

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Des chercheurs de l’Université de New South Wales en Australie ont créé le premier bit quantique (qubit) basé sur le spin nucléaire d’un atome, dans un transistor en silicium. Cette percée est importante pour deux raisons : le qubit produit par les chercheurs est très stable — et il est en silicium, ce qui signifie qu’il peut être câblé et contrôlé électroniquement, tout comme une puce informatique conventionnelle.

À la fin de l’année dernière, le même groupe de recherche à l’UNSW a produit un qubit basé sur le électron tournoyer d’un atome de phosphore piégé à l’intérieur d’un transistor au silicium. Pour plus d’informations sur la façon dont le spin électronique – la spintronique – peut être utilisé en informatique, et donc comme base d’ordinateurs futuristes à ultra-basse consommation, lisez notre explication de la spintronique et de la souchetronique. Maintenant, les chercheurs de l’UNSW ont effectivement fait la même chose, mais avec le spin nucléaire d’un atome de phosphore piégé à l’intérieur d’un transistor au silicium.

Chaque atome est constitué d’un noyau, composé de protons et de neutrons (sauf l’hydrogène, qui n’a pas de neutrons), et d’électrons qui orbitent autour du noyau. Les protons ont une charge positive, les neutrons sont neutres et les électrons ont une charge négative. Le nombre de protons dans le noyau dicte de quel élément il s’agit (un proton = hydrogène, six = carbone, huit = oxygène), et le nombre de neutrons définit l’isotope (essentiellement s’il est stable ou radioactif). L’essentiel, cependant, est que le noyau d’un atome – sauf dans des cas extrêmes tels que la fusion et la fission – est si petit, dense et stable qu’il est presque immuable. Les électrons, d’autre part, changeront facilement leurs orbites, sauteront entre les atomes ou se dissocieront entièrement de leurs atomes (transformant ainsi l’atome en un ion). Selon l’UNSW, le noyau d’un atome est environ un million de fois plus petit que l’atome lui-même et 2 000 fois moins magnétique que les électrons en orbite.

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Maintenant il y a quelques façons de construire un qubit, mais l’une des plus courantes utilise le spin – le magnétisme – d’un électron en orbite autour d’un atome. En mesurant ou en modifiant le spin/magnétisme, vous pouvez lire/écrire la valeur du qubit. Vous pouvez également modifier et mesurer la rotation du noyaucependant – ce qui est exactement ce que les chercheurs à l’Université de Nouvelle-Galles du Sud l’ont fait. L’avantage d’utiliser le noyau est qu’il est presque insensible aux interférences électromagnétiques extérieures, et donc le qubit a une très haute la cohérence (l’intégrité des données dure très longtemps) ; l’inconvénient est qu’il est incroyablement difficile de mesurer le magnétisme de quelque chose qui est 2 000 fois moins magnétique qu’un électron.

Pour définir la valeur de leur qubit nucléaire, les chercheurs utilisent la résonance magnétique nucléaire – le même phénomène/technique utilisé en imagerie par résonance magnétique (IRM) – pour modifier le spin d’un seul noyau. Lire la valeur est plus difficile, à cause du petit champ magnétique généré par le noyau, mais les chercheurs ont réussi en exploitant un processus connu sous le nom de conversion spin-charge. Fondamentalement, l’emplacement d’un électron en orbite est modifié par le magnétisme du noyau, et ce déplacement est facile à détecter avec un électromètre à l’échelle nanométrique. Peut-être le plus excitant, les processus de lecture et d’écriture sont exécutés sur puce par des composants CMOS standard.

Au total, ce nouveau qubit atteint une fidélité de lecture comprise entre 99,8 et 99,99 % et un temps de cohérence de 60 millisecondes – du jamais vu pour un qubit à semi-conducteurs (par opposition à un piège électromagnétique à l’intérieur d’une chambre à vide surfondue). En comparaison, Le qubit d’IBM n’est cohérent que pendant 0,1 milliseconde.

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À l’avenir, les qubits à spin nucléaire ne remplaceront probablement pas les qubits à spin électronique en tant que qubit de choix – mais ils pourraient agir comme une sorte de mémoire quantique ou aider à la mise en œuvre de portes logiques à deux électrons-qubit, qui sont toutes deux activement exploré par l’équipe de recherche de l’UNSW.

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Document de recherche: arXiv:1302.0047 – “Lecture et contrôle haute-fidélité d’un qubit de spin nucléaire dans le silicium”

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