Les qubits de spin en silicium ont longtemps été les surdoués prometteurs de l'informatique quantique : ils peuvent être fabriqués avec les mêmes méthodes semi-conductrices qui produisent les puces informatiques actuelles, ce qui est l'équivalent technologique de se pointer à un gala en smoking que l'on possède déjà. Le hic, bien sûr, c'est que lorsqu'on essaie de contrôler plusieurs qubits à la fois, leurs opérations deviennent moins précises - un peu comme rassembler des chats, si les chats étaient subatomiques et avaient tendance à déphaser de façon inattendue. Construire des ordinateurs quantiques pratiques et à grande échelle nécessite de contrôler de nombreux qubits simultanément tout en minimisant les erreurs, ce qui a été le problème de longue date du domaine : « oui, mais comment ? »

Des chercheurs du Centre RIKEN pour la science de la matière émergente et leurs collaborateurs ont maintenant fait des progrès importants pour résoudre ce problème. Dans une étude publiée dans Nature Physics, l'équipe a démontré un contrôle très précis de plusieurs qubits de spin en silicium fonctionnant simultanément. Leurs expériences ont utilisé un réseau de cinq qubits connectés à une ligne de contrôle micro-ondes partagée - parce qu'apparemment, même les qubits apprécient l'efficacité d'une bonne ressource partagée. En identifiant une cause majeure d'erreurs lors du fonctionnement simultané, les scientifiques ont développé une technique pour réduire ces erreurs et maintenir la précision, prouvant qu'on peut, en fait, avoir ses qubits et les contrôler aussi.

Leon Camenzind, chercheur scientifique au RIKEN et co-premier auteur qui a supervisé les expériences, a expliqué l'importance de ces travaux : « Cela montre qu'un contrôle de haute fidélité peut être maintenu même lorsque plusieurs qubits sont opérés en même temps et représente une étape importante vers la mise à l'échelle des processeurs quantiques à base de silicium. » Ce qui, en langage scientifique, signifie « on a réussi, et c'est un gros deal ».

Contrairement aux ordinateurs conventionnels, qui stockent l'information sous forme de bits représentant soit 0 soit 1, les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques, ou qubits, qui peuvent exister dans des combinaisons des deux états - parce que pourquoi choisir quand on peut être indécis de manière fondamentalement utile ? Les qubits de spin en silicium stockent cette information en utilisant le spin d'électrons individuels confinés dans le silicium. Effectuer des calculs quantiques fiables nécessite un contrôle extrêmement précis de ces spins électroniques, ce qui est plus facile à dire qu'à faire quand on a affaire à l'équivalent quantique d'une pièce pleine de bambins.

Les signaux micro-ondes fournissent ce contrôle, mais l'exploitation simultanée de plusieurs qubits peut créer des effets indésirables qui interfèrent avec leur précision. Les chercheurs ont attribué une grande partie de ce problème à un phénomène appelé décalage Stark AC. Cet effet se produit lorsque les signaux de contrôle micro-ondes modifient les niveaux d'énergie effectifs d'un qubit, produisant des changements dans la phase de son état quantique. Ces déphasages peuvent perturber l'opération prévue des qubits individuels, en particulier lorsque plusieurs sont contrôlés en même temps - un cas classique de trop de cuisiniers dans la cuisine quantique.

Pour contrer le problème, l'équipe a créé une méthode d'étalonnage qui compense ces décalages indésirables. Plutôt que d'étalonner séparément chaque combinaison possible de qubits - ce qui serait un cauchemar combinatoire - la technique repose sur des étalonnages effectués entre paires de qubits. Cela rend l'approche plus pratique pour les systèmes contenant un grand nombre de bits quantiques. « Plutôt que d'exiger une procédure d'étalonnage entièrement séparée pour chaque combinaison possible de qubits, notre méthode utilise des étalonnages entre paires de qubits pour compenser les déphasages indésirables », explique Yi-Hsien Wu, le premier auteur qui a réalisé les expériences dans le cadre de ses recherches doctorales. En d'autres termes, ils ont trouvé un moyen d'éviter de répéter la même tâche fastidieuse à l'infini, ce qui est une victoire pour l'efficacité et pour la santé mentale de Wu.

Les chercheurs ont combiné leur technique d'étalonnage avec une conception de dispositif améliorée et des impulsions de contrôle micro-ondes soigneusement ajustées. Leurs résultats ont montré qu'une précision exceptionnellement élevée pouvait être maintenue même lorsque plusieurs qubits