Construire une puce informatique quantique en silicium atome par atome


Construire une puce informatique quantique en silicium atome par atome

équipe dirigée par l’Université de Melbourne a mis au une technique pour intégrer des atomes individuels dans une plaquette de silicium l’un après l’autre. Crédit : Université de Melbourne

Une équipe dirigée par l’Université de Melbourne a mis au point une technique pour intégrer des atomes individuels dans une plaquette de silicium l’un après l’autre. Leur technologie a le potentiel de fabriquer des ordinateurs quantiques en utilisant les mêmes méthodes qui ont rendu possibles des dispositifs conventionnels bon marché et fiables avec des milliards de transistors.

« Nous pouvions « entendre » le clic électronique alors que chaque atome de notre prototype tombait dans l’un des 10 000 emplacements. Notre vision est d’utiliser cette technique pour un très, très grand dispositif quantique », explique le professeur David Jamieson de l’Université de Melbourne, auteur principal de l’article Advanced Materials, qui décrit le processus.

Ses co-auteurs proviennent de l’UNSW Sydney, du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), du Leibniz Institute for Technology (IOM) et du RMIT Microscopy and Microanalysis Facility.

« Nous pensons qu’avec notre méthode et les avantages des techniques de fabrication que l’industrie des semi-conducteurs a perfectionnés, nous pouvons finalement fabriquer de grandes machines basées sur des bits quantiques d’atomes individuels », a-t-il déclaré.

Jusqu’à présent, l’implantation d’atomes dans le silicium était un processus arbitraire dans lequel une puce de silicium est arrosée de phosphore, qui s’implante de manière aléatoire, comme des gouttes de pluie sur une fenêtre.

« Nous avons intégré des ions phosphore dans un substrat de silicium et compté chacun avec précision, créant une puce qubit qui peut ensuite être utilisée dans des expériences de laboratoire pour tester des conceptions de gros appareils. »

« Cela nous permettra de développer les opérations de logique quantique entre de grands réseaux d’atomes individuels tout en maintenant des opérations de haute précision sur l’ensemble du processeur », a déclaré le professeur Scientia Andrea Morello de l’UNSW, co-auteur de l’article. « Au lieu d’implanter de nombreux atomes dans des emplacements aléatoires et de choisir ceux qui fonctionnent le mieux, ils sont désormais disposés dans un arrangement ordonné, similaire aux transistors des puces informatiques à semi-conducteur traditionnelles. »

« Nous avons utilisé une technologie de pointe pour des détecteurs de rayons X sensibles et un microscope spécial à force atomique qui a été développé à l’origine pour la mission spatiale Rosetta, ainsi qu’un modèle informatique complet pour la trajectoire des ions implantés dans le silicium, qui a été développé en collaboration avec notre collègues en Allemagne. » Dit le Dr . Alexander (Melvin) Jakob, premier auteur de l’article, également de l’Université de Melbourne.






Cette nouvelle technique peut générer des motifs à grande échelle d’atomes comptés qui sont contrôlés de sorte que leurs états quantiques puissent être manipulés, couplés et lus.

La technologie développée par le professeur Jamieson et ses collègues utilise la précision du microscope à force atomique, dont le porte-à-faux pointu «touche» doucement la surface d’une puce avec une précision de positionnement de seulement un demi-nanomètre. Distance entre les atomes dans un cristal de silicium.

L’équipe a percé un petit trou dans cette rampe afin que, lorsque vous pulvérisiez des atomes de phosphore, vous puissiez parfois tomber à travers le trou et s’incruster dans le substrat de silicium.

La clé, cependant, était de savoir exactement quand un atome – et pas plus d’un – était incrusté dans le substrat. Ensuite, le porte-à-faux pourrait se déplacer vers la prochaine position exacte sur le réseau.

L’équipe a découvert que l’énergie cinétique de l’atome lorsqu’il pénètre dans le cristal de silicium et libère son énergie par friction peut être utilisée pour créer un minuscule « clic » électronique.

De cette façon, ils savent qu’un atome est noyé dans le silicium et se déplacent vers la position exacte suivante.

« Un atome entrant en collision avec un morceau de silicium produit un clic très faible, mais nous avons inventé une électronique très sensible pour détecter le clic. Il est beaucoup amplifié et donne un signal fort, un signal fort et fiable », explique le professeur Jamieson.

« Cela signifie que nous pouvons être très sûrs de notre méthode. Nous pouvons dire : « Oh, ça a cliqué. Un atome vient d’arriver. « Maintenant, nous pouvons déplacer le cantilever à la position suivante et attendre le prochain atome. »

« Nous avons déjà obtenu des résultats révolutionnaires avec nos partenaires du centre sur des qubits à un seul atome réalisés avec cette technique, mais la nouvelle découverte accélérera nos travaux sur des équipements à grande échelle », a-t-il déclaré.

Qu’est-ce que l’informatique quantique et pourquoi est-elle importante ?

Les ordinateurs quantiques effectuent des calculs en utilisant les divers états des atomes individuels de la même manière que les ordinateurs conventionnels utilisent les bits – l’unité la plus élémentaire de l’information numérique.

Mais alors qu’un bit n’a que deux valeurs possibles – 1 ou 0, vrai ou faux – un bit ou qubit quantique peut être placé dans une superposition de 0 et 1 en tant que « 01 plus 10 », ce qu’on appelle des états intriqués. L’ajout d’encore plus de qubits crée un nombre croissant d’états intriqués qui forment un code informatique puissant qui n’existe pas dans les ordinateurs classiques. Cette densité exponentielle d’informations donne aux processeurs quantiques leur avantage de calcul.

Cette étrangeté fondamentale de la mécanique quantique a un grand potentiel pour développer des ordinateurs capables de résoudre certains problèmes de calcul que les ordinateurs conventionnels considéreraient comme impossibles en raison de leur complexité.

Les utilisations pratiques incluent de nouvelles façons d’optimiser les calendriers et les finances, la cryptographie incassable et la conception informatique de médicaments, peut-être même le développement rapide de nouveaux vaccins.

« Si vous vouliez calculer la structure de la molécule de caféine, une molécule très importante pour la physique, vous ne pouvez pas le faire avec un ordinateur classique car il y a trop d’électrons », explique le professeur Jamieson.

« Tous ces électrons obéissent à la physique quantique et à l’équation de Schrödinger. Mais si vous voulez calculer la structure de cette molécule, il y a tellement d’interactions électron-électron que même les supercalculateurs les plus puissants du monde ne peuvent pas le faire aujourd’hui.

« Un ordinateur quantique pourrait faire cela, mais vous avez besoin de beaucoup de qubits car vous devez corriger des erreurs aléatoires et exécuter un code informatique très compliqué. »

Les puces de silicium qui contiennent des matrices d’atomes dopants individuels peuvent être le matériau de choix pour les composants classiques et quantiques qui utilisent des spins donneurs individuels. Par exemple, les donneurs du groupe V implantés dans des cristaux de Si purifiés isotopiquement sont attrayants pour les grands ordinateurs quantiques. Les attributs utiles sont les longues durées de vie des spins nucléaires et électroniques de P, les transitions d’horloge hyperfines dans les spins nucléaires Bi ou Sb contrôlables électriquement.

Les architectures prometteuses nécessitent la capacité de produire des réseaux d’atomes dopants individuels proches de la surface avec un rendement élevé. Ici, un système d’électrodes de sur puce avec un bruit carré de 70 eV (≈20 électrons) est utilisé pour démontrer l’implantation d’ions individuels P + de 14 keV à température ambiante.

Le modèle physique pour l’interaction ion-solide montre une limite supérieure sans précédent de la fiabilité de détection d’un seul ion de 99,85 ± 0,02 % pour les implants proches de la surface. En conséquence, le rendement de dopage du silicium pratiquement contrôlé est limité par des facteurs d’ingénierie des matériaux, notamment les oxydes de grille de surface dans lesquels les ions détectés peuvent s’arrêter.

Une limite de rendement de 98,1 % est démontrée pour un composant avec des implantations d’oxyde de grille de 6 nm et 14 keV P+. Des oxydes de grille plus fins permettent à cette limite de converger vers la limite supérieure. L’implantation ionique unique déterministe peut donc être une stratégie de développement de matériaux viable pour les architectures de dopants évolutifs dans les dispositifs en silicium.


Un état intriqué avec trois qubits a été réalisé dans un arrangement entièrement contrôlable de qubits de spin dans le silicium


Plus d’information:
Alexander M. Jakob et al., Implantation déterministe de dopant peu profond dans le silicium avec confiance de détection, limite supérieure à 99,85 % par interactions ion-solide, Matériaux avancés (2021). DOI : 10.1002 / adma.202103235

Fourni par la science au public

Devis: Construction d’une puce informatique quantique en silicium, atome par atome (2022, 12 janvier), consulté le 12 janvier 2022 depuis https://phys.org/news/2022-01-silicon-quantum-chip-atom.html

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