Brevet FR3126520A1 — publié le 20230303

procédé de conception d'un ordinateur quantique, de réalisation selon lequel le qubit (A1000) est constitué d’une boite quantique de 10 nm environ dans chaque direction à l’intérieur d’une cavité entouré de miroirs de Bragg et interagit avec une onde électromagnétique incidente pour initialiser l’état de spin et le mesurer. Selon un mode de réalisation de l’invention (fig 6 et 7), le qubit (A1000) comprend : - une première couche de GaAs, A1001; - une première multi-couches de GaAs/AlAs, A1002; - une deuxième couche de GaAs, A1003; - une première couche de InAs, A1004; - une troisième couche de GaAs, A1005; - une deuxième multi-couches de GaAs/AlAs, A1006; - une quatrième couche de GaAs, A1007. Procédé pour la conception et la fabrication de circuits pour ordinateurs quantiques. L'invention concerne les systèmes informatiques, notamment des calculateurs quantiques ou optiques et les éléments logiques pour manipuler des données. Elle peut être utilisée dans des phénomènes tels que la superposition d’états (dans laquelle une variable quantique peut exister simultanément dans plusieurs états différents) et l'intrication d’états (dans laquelle plusieurs variables quantiques ont des états liés), et n'a pas d'équivalent en informatique classique et, par conséquent, ne peut pas être implémentée à l'aide de dispositifs informatiques classiques. Etat de l’art : Un ordinateur classique comprend un processeur classique. Dans un processeur classique, la réalisation de fonctions logiques élémentaires permet à un ordinateur d'exécuter des fonctions mathématiques usuelles (addition, soustraction, multiplication, division) et de piloter des programmes plus complexes. Les fonctions logiques sont appliquées à des bits d'entrée (de valeur 0 ou 1), et les résultats sont des bits de sortie (de valeur 0 ou 1). Les mémoires sont divisées en registres dont la taille est, par convention, un multiple de huit. Un registre de huit bits est appelé octet. Dans un ordinateur classique, la capacité d'une mémoire se compte par conséquent en nombre d'octets disponibles. Un programme informatique classique est ordinairement stocké dans une mémoire sous forme d'une liste d'instructions (code source) rédigées dans un langage de haut niveau. Pour être exécuté, un programme informatique est d'abord converti en langage machine (composé de séquences binaires). La tâche de conversion est accomplie par un compilateur. La conversion directe d'un langage de haut niveau en binaire est généralement impossible et nécessite diverses opérations intermédiaires d'analyse lexicale, syntaxique et sémantique qui aboutissent à l'édiction d'une transcription du code source dans un langage de niveau 2 intermédiaire (typiquement l'assembleur), susceptible d'être ensuite converti en langage binaire. Lorsque le programme est converti en langage binaire; le processeur est capable de l'exécuter. Il est à noter que c’est la miniaturisation des transistors qui a rendu possible la puissance de calcul et la capacité mémoire des ordinateurs classiques. Suivant la conjecture (dite Loi) de Moore, la densité des transistors pouvant être gravés sur un semi-conducteur aurait plus ou moins doublé tous les deux ans depuis les années 1960. Cependant, en dépit de cette loi (toujours vérifiée) et de la multiplication de puissance espérée pour les années à venir, certaines opérations demeurent inaccessibles aux ordinateurs classiques. L’exemple classique d'opération inaccessible est la factorisation des grands nombres entiers naturels. Le temps nécessaire à un supercalculateur actuel pour factoriser un nombre entier codé sur 256 bits est très supérieur au milliard d'années. C'est cette relative incapacité des ordinateurs classiques à résoudre le problème de la factorisation qui a rendu exploitable la cryptographie à chiffrement RSA (Rivest-Shamir-Aldeman), dont la génération des clés publiques repose sur le produit de nombres entiers premiers. Dans un ordinateur quantique, c'est le qubit (quantum bit) qui représente l'unité élémentaire de traitement de l'information. Si la valeur d'un bit est toujours de 0 ou de 1 selon l'opération qui lui est appliquée, la valeur d'un qubit est quant à elle indéterminée car probabiliste. Selon la définition consacrée, un qubit est un système quantique dont l'état est décrit par une fonction d'onde φ notée selon le formalisme de Dirac, dans un espace de Hilbert. La fonction d'onde |φ> peut s’écrire sous la forme d'une combinaison linéaire des valeurs possibles du qubit : |φ > = α |b> + β |h> avec |b> et |h> qui représentent les valeurs b et h d'un bit classique, et où les coefficients α et β, sont des nombres complexes normalisés. D'un point de vue géométrique, un qubit peut être éventuellement représenté par un point positionné à la surface d'une sphère de rayon unité (par exemple une sphère de Bloch ou de Poincaré). Un qubit peut prendre une infinité d'états tant qu'il n'est pas mesuré. En théorie un qubit est susceptible de stocker une quantité infinie d'information, ce qui est particulièrement intéressant en termes de calcul et de stockage. Il est utile de préciser que les lois de la mécanique quantique figent l'état du qubit dès sa lecture. Les qubits sont destinés à être utilisés en registre de n qubits (n un entier) susceptibles d'être traités au sein d'un programme informatique. L'état de n qubits est décrit par une fonction d'onde généralisée dans un espace de Hilbert à 2n dimensions. Ainsi, l'ordinateur quantique est en théorie capable de traiter simultanément l'ensemble des états possibles du registre, soit 2n. L'ordinateur quantique effectue donc par nature des calculs en parallèle. Aussi, l'addition d'un qubit dans un ordinateur quantique multiplie par deux la puissance de calcul, celle-ci étant donc une fonction exponentielle de la taille du registre. Cependant l'exécution d’un algorithmique quantique se heurte à quelques difficultés. En effet, il faut disposer d'un langage de programmation quantique permettant de faire exécuter des algorithmes quantiques par un processeur quantique et pouvoir insérer le processeur quantique dans une architecture informatique à même de dialoguer avec lui. A ce stade il faut citer notamment Open QASM, cf. A. Cross et al, Open Quantum Assembly Language, d’IBM du 10 janvier 2017. Cependant, l'implémentation sur un processeur quantique se heurte à des difficultés pratiques relatives à la technologie des ordinateurs quantiques, mais également à des difficultés liées à la nature même de l'informatique quantique. En effet, un programme quantique ne permet pas d'exécuter les conditionnalités et les boucles car elles brisent le principe quantique d'incertitude. Il existe actuellement plusieurs dispositifs pour manipuler des informations de base d’un ordinateur dit quantique. Pour lire un qubit dans la base de mesure requise, le qubit est exposé à un rayonnement, dont les composantes spectrales résonnent avec les transitions des niveaux d’énergie des qubits, les intensités et les phases des composantes spectrales du rayonnement sont définies de manière à sélectionner la base de mesure nécessaire à la lecture des qubits. Le résultat de la lecture est déterminé en enregistrant l'excitation des qubits. L'inconvénient est que pour une lecture dans une base donnée, il est nécessaire d'utiliser un rayonnement avec une composition spectrale strictement spécifiée. Dans le Brevet US 6627915 qui présente un qubit supraconducteur, le qubit a la forme d'une jonction Josephson avec un flux magnétique, de sorte qu'en présence d'un champ magnétique externe, une fonction d'énergie potentielle est créée. Le qubit est contrôlé en préparant un état initial, en créant une superposition de deux états en diminuant le champ magnétique, en développant un état quantique au fil du temps, en gelant dans l'état final, en augmentant le champ magnétique et en lisant l'état final. L'inconvénient est que la lecture d'un qubit n'est possible qu'à partir de la spécification de l'état initial déterminé par la structure du champ magnétique. Dans le brevet US20050101489 qui est caractérisé par une fréquence de résonance, la fréquence de résonance du système de commande est fonction du courant de polarisation. Le procédé utilise un système de commande résonnant qui est couplé aux premier et deuxième qubit, accordés à la première fréquence, qui correspond à la différence d'énergie entre les deux niveaux d'énergie potentielle les plus bas du premier qubit. Ensuite, le système est accordé à la deuxième fréquence correspondant à la différence d'énergie entre les deux niveaux d'énergie potentielle les plus bas du deuxième qubit. L'inconvénient est que ce système met en œuvre un couplage capacitif, ce qui limite le temps de commutation entre les états. Dans plusieurs brevets, il est possible de comprendre qu’un ordinateur quantique peut définir une pluralité de bits quantiques qui contrôlent l'interaction, et peut contrôler simultanément des bits quantiques individuels et introduire des interactions entre des bits quantiques arbitraires selon les besoins. Selon le cas, l'ordinateur quantique comprend des moyens pour fournir des faisceaux laser, des moyens pour générer une pluralité bidimensionnelle de faisceaux lumineux en champ proche sur au moins un plan à partir de faisceaux laser obtenus à partir des moyens d'alimentation en lumière, et des bits quantiques formés en piégeant des atomes dans la zone proche. L'inconvénient est qu'il est nécessaire d'utiliser un réseau formé de faisceaux laser, et, par conséquent, de contrôler une fréquence et une précision de positionnement des atomes constantes, limitées par la longueur d'onde de la source laser utilisée. Il est donc envisagé de s’affranchir de ces différents inconvénients notamment un fonctionnement à très basse température et de proposer la formation de qubits à température ambiante à un coût de dispositif inférieur à tout ce qui existe aujourd’hui. L'invention se fonde sur le contrôle de l'interaction de la lumière avec la matière et notamment des interactions entre la lumière et des boites quantiques insérées dans cavités semi-conductrices à miroirs de Bragg, le tout fonctionnant à température ambiante. L'invention sera mieux comprise par des figures. , la présente le profil en énergie d'un exemple de boîte quantique; , la présente la sphère de Poincaré; , la présente deux états de polarisation orthogonaux sur la sphère de Poincaré; , la présente l’initialisation des états de spins; , la présente un octet de qubit; , la présente une vue 3D d’un mode de réalisation de l’invention; , la présente une vue en coupe d’un mode de réalisation de l’invention. Description de l’invention : L'invention se fonde sur le contrôle de l'interaction de la lumière avec la matière et notamment des interactions entre la lumière et des boites quantiques insérées dans cavités semi-conductrices à miroirs de Bragg le tout fonctionnant à température ambiante. La structure découverte en 1985 (A. Ekimov et al. Quantum size effect in semiconductor microcrystals. Solid State Communications, 1985), et appelée boîte quantique semi-conductrice est un agrégat de milliers d'atomes qui a des propriétés similaires à un atome de par sa densité d'état discrétisée. Les boîtes quantiques peuvent être réalisées de différentes manières telles que la synthèse chimique colloïdale, le dépôt chimique en phase vapeur ou l'épitaxie par jet moléculaire. Les porteurs de charge peuvent occuper les états du continuum du substrat de GaAs, ou les états discrets de la boîte quantique. Le GaAs va se comporter comme barrière de potentiel pour les porteurs de la bande de conduction et de la bande de valence ( ). Les boîtes quantiques confinent les charges dans les trois directions spatiales qui se répartissent sur des niveaux d'énergie discrets. Les boîtes quantiques peuvent être excitées de manière résonante ou de manière non résonante. L’excitation résonante consiste à exciter directement une transition de la boîte quantique avec un photon d'énergie égale à l'énergie de la transition. La recombinaison par émission spontanée entraîne une émission d'un photon de même énergie. Le couple électron trou généré lors de l'excitation résonante est une quasi-particule généralement appelé exciton. Il est commode de représenter la boîte quantique comme un système à deux niveaux avec un état fondamental noté |f> et un état excité noté |e> correspondant à un état composé d'une paire électron-trou dans la boîte quantique. La transition de l'état |f> vers un état |e> se fait soit par absorption d'un photon de même énergie que la différence d'énergie ω QD entre les états |f> et |e> (résonante) soit par capture des porteurs (non résonante). La transition de l'état |e> vers l’état |f> se fait par recombinaison de l'électron avec le trou avec émission d'un photon. Cette émission spontanée est caractérisée par un temps de vie radiatif de l'ordre de la nanoseconde. Ce temps correspond à la durée entre la création de l'exciton et la recombinaison radiative de la paire électron-trou. Par ailleurs, il est important de noter que la boîte quantique va interagir avec l'environnement, ce qui peut perturber l'état excité. En effet, l'interaction de l'exciton avec les phonons optiques et acoustiques (modes vibrationnels du réseau cristallin) ainsi qu'avec l'environnement électrostatique peuvent faire perdre la cohérence de l'état excité avec l'état fondamental. De plus, un électron de la bande de conduction a un moment angulaire total J égal à 1/2. Dans les boîtes quantiques, la dimension selon l’axe de propagation (z) est généralement plus faible que celui des dimensions dans le plan (x, y) de l'échantillon (quelques nm dans l'axe et 20 nm dans le plan). Le confinement est donc plus fort suivant l'axe z. C’est cet axe qui est pris en considération pour le moment angulaire de l'électron. L'électron de charge négative peut avoir deux états possibles; un état de spin -1/2 représenté par |↓> z ou un état de spin +1/2 noté |↑> z . De même, le moment angulaire d’un trou selon l'axe z J z =-3/2 est noté par son état de spin |⇓> z ou un moment angulaire J z =+3/2 avec un état de spin noté |⇑> z . Par ailleurs, les photons sont des particules bosoniques ayant un spin entier. Les photons polarisés circulairement à gauche |L> ou les photons polarisés circulairement à droite |R> ont une projection du moment angulaire égale à −1 ou +1, respectivement. Ainsi, quand un photon polarisé circulairement est absorbé par une transition de la boîte quantique, le moment angulaire doit être conservé par le système. La conservation du moment angulaire entraîne que seules les configurations de spins opposées sont autorisées ( |↑⇓> z ou |↓⇑> z ). Dans le cas où les spins du trou et de l'électron sont dans la même direction, le moment cinétique total des deux états de spin sera égal à ±2 . Dans l'approximation dipolaire électrique, la lumière ne peut exciter ces transitions appelées états noirs (|↑⇑> z ou |↓⇓> z ). Les états brillants correspondent à des états de spin antiparallèles ( |↑⇓> z ou |↓⇑> z ) qui interagissent avec la polarisation circulaire ( |L>, |R> ). Sous excitation résonante, la lumière ne peut donc générer que des paires électron-trou avec des états ( |↑⇓> z ou |↓⇑> z ). D’après le principe d'exclusion de Pauli et en fonction de la conservation du moment angulaire, pour générer optiquement un électron avec un état |↓⇑> z il faut créer une paire électron-trou d'état |↓⇑> z . Pour que le moment angulaire soit conservé, le photon incident doit avoir un état de polarisation |R> et on en déduit donc que la transition |↑> z vers |↑↓⇑> z n'est excitable que par la polarisation circulaire |R>. Il en est de même, pour la transition |↓> z vers |↓↑⇓> z qui n'est excitable que par la polarisation circulaire |L>. Il en résulte qu'une boîte quantique chargée sera sensible à une seule polarisation circulaire suivant l'état de spin de la charge confinée. Ces règles de sélection optiques sont également valables pour un trou confiné. Dans le cadre de l'application d'un champ transverse les règles de sélections optiques de la boîte quantique sont redéfinies de telle façon que la projection du spin de l'électron n'est plus selon suivant l'axe z mais selon l'axe x ou y du champ magnétique appliqué. Les transitions verticales |↑> x vers |↑↓⇑> x et |↓> x vers |↓↑⇓> x sont excitables par une polarisation linéaire |H> et les transitions diagonales |↑> x vers |↓↑⇓> x et |↓> x vers |↑↓⇑> x sont excitables par une polarisation linéaire |V>. Pour utiliser un spin comme bit quantique stationnaire, il faut mesurer son état de manière non destructive. La manière la plus simple consiste à mesurer l'état de spin avec la rotation de polarisation des photons incidents induite par le spin unique à l’aide d’une onde de réflexion. Par ailleurs pour améliorer la stabilité du système il est possible d’utiliser une cavité. La cavité est caractérisée par son champ électromagnétique à l’intérieur de celle-ci. Il est possible de décrire quantiquement ce champ en le décomposant en modes. Chaque mode évolue comme un oscillateur harmonique de fréquence ω mode . En ne considérant que le mode fondamental de la cavité de fréquence ω c l'hamiltonien de la cavité s'écrit : Ĥ cav = ω c â † â. Dans lequel â (respectivement â † ) est l'opérateur associé à l'annihilation (respectivement création) d'un photon dans le mode fondamental. L'état fondamental de cet hamiltonien, appelé aussi état vide |0>, correspond à une cavité vide sans photon. L'état |1> correspond à un photon à l'intérieur de la cavité, |2> correspond à deux photons et ainsi de suite. En considérant la cavité initialement dans l'état |0> , l'état d'énergie supérieure |1> est obtenu en appliquant l'opérateur création â † . La transformation de l'état |1> vers l'état |0> est obtenu en appliquant l'opérateur â. Dans le cas d’une excitation résonante, le champ incident extérieur interagit avec le mode fondamental de la cavité. Le champ électromagnétique extérieur incident décrit par l'opérateur ĉ in va se coupler avec le mode fondamental de la cavité et cet opérateur est proportionnel à l'opérateur champ électrique Ê in qui est généralement normalisé pour que la quantité † in ĉ in > soit égale au nombre de photons incidents par unité de temps. Le champ externe sortant après interaction avec la cavité est décrit par l'opérateur ĉ out également normalisé pour que la quantité † out ĉ out > soit égale au nombre de photons réfléchis par unité de temps. S’il n’y a pas de fuite dans la cavité, alors ĉ out = ĉ out . L’onde électromagnétique incidente est caractérisée par E H et E V , nombres complexes qui indiquent l'amplitude et la phase de l'onde dans la base Horizontale-Verticale notée base HV. Le choix de cette base est arbitraire et il est possible de caractériser l’onde électromagnétique grâce à E D et E A dans la base diagonale-antidiagonale (notée DA) ou dans la base circulaire gauche droite E L et E R (notée LR). Ces trois bases sont connectées par des relations de changement de base et I = |E H | 2 + |E V | 2 = |E D | 2 + |E A | 2 = |E L | 2 + |E R | 2 . Par ailleurs, il faut noter que S HV = |E H | 2 - |E V | 2 , S DA = |E D | 2 - |E A | 2 , S RL = ||E L | 2 - |E R | 2 . Si l'état de polarisation est pur, ces 4 paramètres sont connectés par la relation : I 2 = S 2 HV + S 2 DA + S 2 RL L'intérêt du formalisme des 4 paramètres de Stokes est qu'il permet une représentation simple et intuitive des états de polarisation sur une sphère de Poincaré ( ). Les pôles correspondent aux deux polarisations circulaires tandis que l'équateur est l'ensemble des polarisations linéaires. Si le spin de la boîte quantique est initialisé dans un état |⇑> ou |⇓>, et avec un faisceau incident de polarisation |Ψ in >, et si cette polarisation est linéaire et orientée selon la direction horizontale ( |Ψ in > = |H>) alors |Ψ in > = (|L> + |R>)/ √2 ( ). Dans ce cas, pour le faisceau réfléchi et si le spin est à l'état |⇑> alors : l'état de polarisation réfléchi est donné par |Ψ ⇑> = (r L (⇑) |L> + r R (⇑) |R> ) / √(|r L (⇑)| 2 + |r R (⇑)| 2 ) dans lequel r L et r R sont les coefficients de réflectivité complexes du champ réfléchi en polarisation circulaire droite et gauche. De même, lorsque l'état de spin est |⇓>, l'état de polarisation s'écrit : |Ψ ⇓> = (r L (⇓) |L> + r R (⇓) |R> ) / √(|r L (⇓)| 2 + |r R (⇓)| 2 ). Pour obtenir une interface spin-photon parfaite, il faut que les deux états de polarisations |Ψ⇑> et |Ψ⇓> soient les plus orthogonaux possibles, c'est à dire idéalement =0, et comme | | 2 = s 2 HV , cela se traduit par s 2 HV = 0. Dans les conditions où |Ψ⇑> et |Ψ⇓> sont orthogonaux, les deux états de polarisation associés à chacun des deux états de spin sont parfaitement discernables ( ). Un faisceau laser pompe d’intensité gaussienne peut être utilisé pour initialiser les états de spin et un autre laser peut être utilisé pour transmettre des informations ( ). Dans ce cas, il est possible de contrôler les fréquences de fonctionnement en modifiant l'intensité de pompage ou la largeur de l'intervalle d'intensité. Un pulse laser de quelques pico-secondes permet d’initialiser les spins. Compte tenu des modes du réseau cristallin (phonons, spins atomiques, ...) le rafraîchissement doit se faire avant la disparition de la cohérence donc avec un temps de l’ordre quelques ns. Des combinaisons linéaires de ces états forment une base d'états 0 et 1 d'un qubit, en totale analogie avec les qubits supraconducteurs basés sur les jonctions Josephson. La particularité de l’invention réside dans le fait que la méthode d'organisation du qubit proposée est de nature purement quantique. L'avantage par rapport aux qubits supraconducteurs est une température de fonctionnement plus élevée (jusqu'à la température ambiante dans les cavités semi-conductrices à large bande). Cette solution peut conduire à une intégration facile des portes logiques classiques sur des puces semi-conductrices, et peut fournir un contrôle complet et un coût de dispositif inférieur à ce qui existe aujourd’hui. De façon purement indicative, dès qu’un qubit est constitué, il est possible de former un registre QR de 8 qubits ou octet ou une porte non et de poursuivre ainsi jusqu’à la conception complète d’un ordinateur quantique ( ). La fréquence d’horloge du registre peut être commandée par un oscillateur de 2 THz, ce qui permet d’avoir un ordinateur 10 3 fois plus rapide qu’un ordinateur classique. Da façon pratique, le qubit est constitué d’une boite quantique de 10 nm environ dans chaque direction à l’intérieur d’une cavité entouré de miroirs de Bragg et interagit avec une onde électromagnétique incidente pour initialiser l’état de spin et le mesurer. Selon un mode de réalisation de l’invention ( et 7), le qubit A1000 comprend : - une première couche de GaAs, A1001; - une première multi-couches de GaAs/AlAs, A1002; - une deuxième couche de GaAs, A1003; - une première couche de InAs, A1004; - une troisième couche de GaAs, A1005; - une deuxième multi-couches de GaAs/AlAs, A1006; - une quatrième couche de GaAs, A1007. Au moins un paramètre de dimensionnement du dispositif A1000 peut être déterminé à partir d'au moins une longueur d'onde λ de fonctionnement (par exemple 900 nm), le au moins un paramètre de dimensionnement étant choisi dans un groupe comprenant les dimensions de la pluralité A1000 (par exemple la cavité dont le volume modal est proportionnel au cube de la longueur d’onde λ). Il faut noter que plus le volume modal de la cavité est faible et plus le champ est confiné à l'intérieur de la cavité. Ce qui permet une meilleure interaction avec la boîte quantique. Par ailleurs, l’indice de réfraction n 1 de GaAs sera proche de 3.5 et l’indice de réfraction n 2 de AlAs sera proche de 2.9 (pour le maximum de réflexion à la longueur d'onde λ , les épaisseurs e 1 et e 2 sont choisies de manière à respecter la relation e 1 n 1 = e 2 n 2 =λ/4). Selon un mode de réalisation de l’invention, le qubit A1000 peut être constitué d’autres semi-conducteurs. Selon un mode de réalisation de l’invention, le qubit A1000 peut servir également à la détection de bosons autres que ceux de spin 1. , procédé de conception d'un ordinateur quantique, de réalisation selon lequel le qubit (A1000) est constitué d’une boite quantique de 10 nm dans chaque direction à l’intérieur d’une cavité entouré de miroirs de Bragg et interagit avec une onde électromagnétique incidente pour initialiser l’état de spin et le mesurer. Le qubit (A1000) comprend : - une première couche de GaAs, A1001; - une première multi-couches de GaAs/AlAs, A1002; - une deuxième couche de GaAs, A1003; - une première couche de InAs, A1004; - une troisième couche de GaAs, A1005; - une deuxième multi-couches de GaAs/AlAs, A1006; - une quatrième couche de GaAs, A1007. Au moins un paramètre de dimensionnement du qubit (A1000) est déterminé à partir d'au moins une longueur d'onde λ de fonctionnement, le au moins un paramètre de dimensionnement étant choisi dans un groupe comprenant les dimensions du qubit (A1000). L’indice de réfraction n1 de GaAs est proche de 3.5 et l’indice de réfraction n2 de AlAs est proche de 2.9. , Procédé de conception d'un ordinateur quantique selon la revendication 1, dans lequel le qubit (A1000) sert également à la détection de bosons autres que ceux de spin 1