Des chercheurs de l'Université de Melbourne, de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud et de l'Institut royal de technologie de Melbourne en Australie, associés à leurs collègues du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf et de l'Institut Leibniz d'ingénierie des surfaces en Allemagne, ont accompli un nouveau pas vers l'ordinateur quantique, en parvenant à intégrer avec précision des atomes uniques, un par un, dans des tranches de silicium.
Selon les chercheurs, la technique, qui a été publiée dans un article dans “Advanced Materials", tire parti de la précision du microscope atomique, qui possède un cantilever pointu qui "touche" la surface d'une puce avec une précision de positionnement de seulement un demi-nanomètre, ce qui correspond à peu près à l'espace entre les atomes dans un cristal de silicium. Les chercheurs décrivent comment un minuscule trou a été percé dans le cantilever, de sorte que, lorsqu'il est arrosé d'atomes de phosphore, l'un d'entre eux tombe parfois à travers le trou et s'incruste dans le substrat de silicium.
L'un des aspects essentiels est de savoir précisément quand un atome s'enfonce dans le substrat, afin que le cantilever puisse se déplacer vers la position précise suivante sur le réseau. Or, jusqu'à présent, l'implantation d'atomes dans le silicium était un processus aléatoire. En effet, lorsqu'une puce de silicium était arrosée de phosphore, un atome tombait de manière aléatoire, comme des gouttes de pluie sur une fenêtre. Cependant, l'équipe a découvert qu'elle pouvait identifier la précision grâce à un "clic" sonore qui se produit lorsqu'un atome tombe dans le cristal de silicium.
« Un atome qui entre en collision avec un morceau de silicium produit un clic très faible, mais nous avons inventé une électronique très sensible utilisée pour détecter le clic : il est très amplifié et donne un signal fort et fiable », explique David Jamieson, professeur à l'Université de Melbourne et auteur principal. « Cela nous permet d'être très confiants dans notre méthode. Nous pouvons dire : oh, il y a eu un déclic. Un atome vient d'arriver. Maintenant, nous pouvons déplacer le cantilever vers le prochain endroit et attendre le prochain atome ».
Pour mettre au point cette technique, les chercheurs ont utilisé des équipements comprenant des détecteurs de rayons X sensibles, un microscope à force atomique initialement développé pour la mission spatiale Rosetta, ainsi qu'un modèle informatique de la trajectoire des ions implantés dans le silicium. Andrea Morello, l'un des coauteurs, ajoute qu'en utilisant cette précision et cette nouvelle technique, il serait possible de créer une "puce" de qubit, qui pourrait ensuite être utilisée dans des expériences pour tester les conceptions de dispositifs à grande échelle. « Cela nous permettra de concevoir les opérations de logique quantique entre de grands réseaux d'atomes individuels, en conservant des opérations très précises dans l'ensemble du processeur », dit-il. « Au lieu d'implanter de nombreux atomes à des endroits aléatoires et de sélectionner ceux qui fonctionnent le mieux, ils seront désormais placés dans un réseau ordonné, semblable aux transistors des puces d'ordinateur à semi-conducteurs classiques ».
David Jamieson cite en outre la cryptographie inviolable et la conception informatique de médicaments, comme le développement rapide de vaccins, parmi les dispositifs quantiques à grande échelle qui pourraient être développés à l'aide de ce concept. « Nous pensons qu'en fin de compte, nous pourrions fabriquer des machines à grande échelle basées sur des bits quantiques à un seul atome en utilisant notre méthode et en tirant parti des techniques de fabrication que l'industrie des semi-conducteurs a perfectionnées », explique-t-il.
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
