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Des ingénieurs ont assemblé un processeur quantique à base de qubits de silicium, piloté par une électronique classique et fonctionnant mille fois plus silencieusement que les précédents.
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Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien doit jouer sa partition à la perfection, sinon la mélodie s'effondre. Autrefois, pour diriger les qubits – ces « musiciens » quantiques – il fallait une salle entière d'équipements, et chaque fil supplémentaire ajoutait du bruit. Les ingénieurs de ces travaux ont assemblé une puce de silicium compacte avec 18 qubits, et l'électronique de commande est placée juste à côté, dans un réfrigérateur à une température plus basse que dans l'espace interstellaire.
Ici, les qubits sont de minuscules pièges à électrons gravés dans le silicium. Les électrons se comportent comme des toupies : leur spin peut pointer vers le haut ou vers le bas, ce qui constitue les deux états du qubit. Au lieu de tirer chaque électron avec un signal séparé, les auteurs ont utilisé des trios d'électrons qui échangent entre eux. Ce qubit « d'échange » est plus facile à contrôler et souffre moins des interférences magnétiques. En conséquence, la précision des opérations individuelles a été multipliée par dix par rapport aux qubits de silicium précédents.
Pour vérifier la fiabilité de la puce, les scientifiques ont lancé un code qui détecte et corrige les erreurs. Il s'agit du code de répétition de distance 5 : cinq qubits stockent un bit d'information, et même si l'un d'eux se trompe, les autres prennent le relais.
Le principal résultat n'est pas seulement un record, mais une voie vers la production de masse. Le silicium est le même matériau que celui utilisé pour fabriquer les processeurs ordinaires. Ainsi, les usines qui impriment aujourd'hui des puces pour téléphones pourront également imprimer des puces quantiques. Et le contrôle via une électronique standard signifie que l'ordinateur quantique n'exigera pas d'infrastructure exotique. L'orchestre tient enfin dans une poche et joue sans fausse note.
Commercially-relevant quantum computers will require large numbers of high-performing qubits that can be manufactured, integrated, and controlled at scale. Silicon exchange-only (EO) qubits are a strong candidate modality due to their control-signal simplicity and compatibility with advanced semiconductor manufacturing, but questions remain around the achievability of sufficiently low noise and a scalable control and wiring solution. Here we introduce a quantum processing unit composed of a custom-designed cryogenic CMOS controller, a novel high-density superconducting ribbon cable, and a low-noise EO qubit device. The quantum chip features a three-rail array of 54 exchange-coupled quantum dots, configurable to host up to 18 EO qubits. We integrate and use these components to demonstrate qubit performance for both single-qubit and entangling operations that advances the EO state of the art by an order of magnitude. We further validate this system by implementing a distance-5 repetition code and a quantum error detecting code then make detailed comparisons with simulations. Our approach facilitates a utility-scale quantum computer with manageable operational and capital requirements.
