[Le qubit volant, ingrédient de l’ordinateur quantique]

Un qubit utilise les phénomènes quantiques de superposition pour obtenir une combinaison linéaire de deux états. Là où un bit binaire classique ne peut représenter que deux états possible, tels que 0 ou 1, le qubit en compte en théorie une infinité !

Une collaboration de chercheurs a franchi une étape importante en contrôlant pour la première fois une superposition quantique de qubits volants électroniques. Un qubit volant est un bit quantique non localisé, pouvant être manipulé pendant sa propagation. Ces travaux marquent une avancée importante vers la génération à la demande de paires quantiques intriquées, exigence requise pour connecter des ordinateurs quantiques distants.

Le principe d’un qubit porté par un substrat solide, tels qu’un qubit supraconducteur ou un point quantique semi-conducteur, repose sur un système fixe et localisé à deux niveaux. À l’opposé, les qubits « volants » portés par une onde électronique qui se propage, offrent l’avantage de pouvoir être générés à la demande et de pouvoir être manipulés pendant leur propagation. Le support matériel contient simplement une architecture extensible de portes logiques.

L’une des techniques les plus étudiées consiste à manipuler les états électroniques d’un semi-conducteur d’arséniure de gallium (GaAs) à haute mobilité au moyen d’un interféromètre électronique de type Mach-Zehnder, pour mesurer le déphasage relatif entre deux faisceaux collimatés. Les interférences sont cependant trop sensibles à la chaleur, aux fluctuations de tension électrique et d’énergie des électrons injectés, pour permettre la réalisation d’un qubit volant à électrons dans cette configuration.

Le défi a pu être relevé en construisant un interféromètre de Mach-Zehnder électronique basé sur une jonction p-n en graphène et couplé à une source d’électrons uniques dénommée « lévitons », exempts de toute excitation parasite avec les autres électrons du système. L’échantillon de graphène est simplement déposé de façon bien contrôlée sur un substrat isolant. L’application d’un champ magnétique externe au système induit la formation de canaux de conduction de part et d’autre de la jonction p-n. Les points d’entrée et de sortie au niveau de la jonction p-n sont ainsi clairement définis et agissent comme des séparateurs de faisceau d’électrons, formant un interféromètre de Mach-Zehnder qui présente une tolérance dix fois supérieure au bruit comparé aux interféromètres conventionnels à base de GaAs.

Avec ce dispositif, le fonctionnement d’un qubit volant d’électrons a pu être obtenu en manipulant la superposition d’états quantiques d’un léviton, respectivement définis par les états électroniques dans le canal de conduction sur les côtés n et p. Le contrôle complet des deux phases permet d’obtenir l’état de superposition que l’on souhaite et théoriquement coder n’importe quelle information sur un seul de ces qubit.

Cette démonstration d’un contrôle parfait d’un qubit électronique volant est une avancée importante pour concevoir un dispositif à l’état solide permettant un transfert d’information quantique. Il doit maintenant être possible de générer à la demande des paires de qubit volants intriquées à partir d’opérations sur des qubits volants à deux électrons permettant en outre le la connexion à distance d’ordinateurs quantiques.