Un conversation quantique avec des disques magnétiques

Les ordinateurs quantiques offrent des perspectives prometteuses pour résoudre certains des problèmes les plus complexes auxquels l’humanité est confrontée aujourd’hui. Si une grande attention a été portée sur le calcul de l’information quantique, la transduction de l’information au sein des réseaux quantiques est tout aussi cruciale pour concrétiser le potentiel de cette nouvelle technologie.

Une équipe de recherche du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) propose une nouvelle approche pour transduire l’information quantique, en manipulant des bits quantiques, appelés qubits, grâce au champ magnétique des magnons – des excitations ondulatoires dans un matériau magnétique – qui se produisent dans des disques magnétiques microscopiques.

Les défis de la construction d’un ordinateur quantique universel

La construction d’un ordinateur quantique programmable et universel est l’un des défis les plus complexes en matière d’ingénierie et de science de notre époque. La réalisation d’un tel ordinateur offre un grand potentiel pour divers secteurs industriels tels que la logistique, la finance et la pharmacie. La construction d’un ordinateur quantique pratique a été toutefois entravée par la fragilité intrinsèque du stockage et du traitement de l’information dans cette technologie.

L’information quantique est encodée dans des qubits, qui sont extrêmement sensibles au bruit de leur environnement. De minuscules fluctuations thermiques, une fraction de degré, pourraient totalement perturber le calcul. Cela a incité les chercheurs à répartir les fonctionnalités des ordinateurs quantiques entre différents modules distincts, dans le but de réduire les taux d’erreur et de tirer parti des avantages complémentaires de leurs composants.

La transduction de l’information quantique par les magnons

Mauricio Bejarano, chercheur au HZDR et premier auteur de la publication, souligne : « Cependant, cela pose le problème du transfert de l’information quantique entre les modules d’une manière qui ne perde pas l’information. Notre recherche se situe précisément dans cette niche spécifique, la transduction de la communication entre différents modules quantiques. »

La méthode actuellement établie pour transférer l’information quantique et adresser les qubits est l’utilisation d’antennes micro-ondes. C’est l’approche utilisée par Google et IBM dans leurs puces supraconductrices, la plateforme technologique à l’avant-garde de cette course quantique. « Nous, en revanche, adressons les qubits avec des magnons », explique le physicien du HZDR Helmut Schultheiß, qui a supervisé les travaux.

« On peut les considérer comme des ondes d’excitation magnétique qui traversent un matériau magnétique. L’avantage ici est que la longueur d’onde des magnons se situe dans la gamme des micromètres et est nettement plus courte que les ondes centimétriques de la technologie micro-ondes conventionnelle. Par conséquent, l’empreinte micro-ondes des magnons prend moins de place dans la puce. »

Un diviseur de fréquence sophistiqué

Le groupe du HZDR a étudié l’interaction des magnons et des qubits formés par des lacunes d’atomes de silicium dans la structure cristalline du carbure de silicium, un matériau couramment utilisé dans l’électronique de puissance. Ces types de qubits sont généralement appelés qubits de spin, étant donné que l’information quantique est encodée dans l’état de spin de la lacune.

Mais comment les magnons peuvent-ils être utilisés pour contrôler ces types de qubits ? « Typiquement, les magnons sont générés avec des antennes micro-ondes. Cela pose le problème qu’il est très difficile de séparer l’excitation micro-ondes provenant de l’antenne de celle provenant des magnons », explique Mauricio Bejarano.

Pour isoler les micro-ondes des magnons, l’équipe du HZDR a utilisé un phénomène magnétique exotique observable dans des disques magnétiques microscopiques d’un alliage nickel-fer. « En raison d’un processus non linéaire, certains magnons à l’intérieur du disque possèdent une fréquence beaucoup plus basse que la fréquence d’excitation de l’antenne. Nous manipulons les qubits uniquement avec ces magnons de fréquence inférieure. »

L’équipe de recherche souligne qu’elle n’a pas encore effectué de calculs quantiques. Cependant, elle a montré qu’il est fondamentalement possible d’adresser les qubits exclusivement avec des magnons.

Exploiter la puissance des magnons

Helmut Schultheiß insiste : « À ce jour, la communauté de l’ingénierie quantique n’a pas encore réalisé que les magnons peuvent être utilisés pour contrôler les qubits. Mais nos expériences démontrent que ces ondes magnétiques pourraient effectivement être utiles. »

Afin de développer davantage leur approche, l’équipe prépare déjà ses plans futurs : elle veut essayer de contrôler plusieurs qubits individuels étroitement espacés de manière à ce que les magnons servent de médiateur à leur processus d’intrication – une condition préalable à l’exécution de calculs quantiques.

Leur vision est qu’à long terme, les magnons pourraient être excités par des courants électriques directs avec une telle précision qu’ils adresseraient spécifiquement et exclusivement un seul qubit dans un réseau de qubits. Cela permettrait d’utiliser les magnons comme un bus quantique programmable pour adresser les qubits de manière extrêmement efficace.

Bien qu’il reste encore beaucoup de travail à faire, les recherches du groupe soulignent que la combinaison des systèmes magnoniques avec les technologies quantiques pourrait fournir des informations utiles pour le développement d’un ordinateur quantique pratique à l’avenir.

Légende illustration : Les chercheurs du HZDR ont réussi à générer des excitations ondulatoires dans un disque magnétique – appelées magnons – pour manipuler spécifiquement des qubits de taille atomique dans du carbure de silicium. Cela pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour la transduction d’informations dans les réseaux quantiques.

Article : « Parametric magnon transduction to spin qubits » – DOI: 10.1126/sciadv.adi2042