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La boîte à outils quantique

Sophie Eustache

Mis à jour le 22/10/2014 à 19h06

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La boîte à outils quantique

Métaux supraconducteurs, diamant, nanotubes de carbone... Dissemblables, ces matériaux ont un point commun : leur capacité à stocker de l'information sous forme quantique. Une caractéristique qui a déjà conduit les spécialistes à les ranger dans la boîte à outils de l'ordinateur quantique.

La physique quantique, domaine scientifique souvent perçu comme très abstrait, a pourtant déjà une application concrète : le traitement de l'information. Alors qu'un ordinateur classique a un fonctionnement binaire - un bit peut être soit 0 soit 1 - l'ordinateur quantique exploite l'ubiquité quantique : un QuBit peut être soit 0, soit 1, soit à la fois 0 et 1, permettant une plus grande capacité de calcul. Si des applications sont déjà possibles, dans le domaine de la cryptographie par exemple, de nombreuses questions restent en suspens. « Avec quelle architecture serait bâti un ordinateur quantique ? Avec quels algorithmes ? Selon la nature du vecteur d'information, - à savoir le photon, le spin de l'électron ou la molécule -, il ne faudra pas recourir aux mêmes matériaux », analyse Jean-Christophe Gabriel, spécialiste des nanotechnologies pour l'électronique au CEA-Leti. Des acteurs comme IBM et Intel se concertent d'ailleurs déjà pour déterminer quel vecteur servira de standard à l'ordinateur quantique. « Concernant les matériaux, les candidats les plus prometteurs sont le graphène, les nanotubes de carbone, le diamant et les matériaux magnétiques », reprend le chercheur. Ces matériaux permettent de fabriquer des Qubits, et surtout de maintenir la cohérence quantique.

Un QuBit est en effet fragile. S'il n'est pas isolé du reste du monde, il perd ses propriétés d'ubiquité quantique, les superpositions d'état disparaissent. On parle alors de décohérence. Le maintien de la cohérence est un enjeu principal des recherches sur les matériaux susceptibles de jouer un rôle dans l'ordinateur de demain. Une famille de matériaux apparaît en bonne position pour relever ce défi : les supraconducteurs, dont l'aluminium et le niobium. Dépourvus de résistance électrique et capables d'exclure les champs magnétiques qui les environnent, ils protègent temporairement les bits quantiques (voir fiches supraconducteurs). Les travaux se poursuivent pour augmenter la durée de maintien de la cohérence.

Les défauts du diamant très recherchés pour leurs qualités

Le diamant fait également partie de la liste de matériaux précieux, en particulier pour la spintronique quantique. « Nous nous intéressons à un défaut ponctuel du diamant, le centre coloré NV (nitrogen-vacancy). Ce système quantique est équivalent à un atome niché dans la matrice du cristal de diamant. Cet atome artificiel a un spin électronique, et on peut lire, écrire, et stocker l'état quantique du spin. Dans un diamant, l'état de spin d'un centre NV conserve l'information quantique une milliseconde », explique Jean-François Roch, directeur du laboratoire Aimé Cotton (CNRS, Université Paris-Sud et ENS Cachan) et professeur à l'ENS Cachan. Isolant, le diamant a aussi l'avantage de s'interfacer avec d'autres objets quantiques, comme le photon (voir la fiche diamant ci-contre). Une propriété essentielle pour construire les futurs systèmes quantiques complets qui remplaceront peut-être, un jour, nos microprocesseurs au silicium.

Boite à outils quantique

Diamant : une mémoire précieuse
Isolant, le diamant est un bon protecteur contre la décohérence. Pour créer des bits quantiques en son sein, il faut le doper avec des impuretés qu'il renferme naturellement, mais en nombre réduit : les centres colorés NV (nitrogen-vacancy), composés d'une lacune et d'un atome d'azote dont le spin peut être manipulé au moyen d'une simple impulsion laser ou micro-onde pour y stocker de l'information et la consulter. Pour bâtir le début d'une architecture quantique, l'objectif des chercheurs est de placer deux centres NV à une dizaine de nanomètres, afin de créer des portes logiques quantiques. La machine à faisceaux de particules chargées, fabriquée par Orsay Physics, permet d'implanter des atomes d'azote avec précision.

 

Nanotubes de carbone : ils font vibrer les QuBits
Des nanotubes de carbone ont été utilisés comme matériau de base des QuBits par des physiciens de l'université technique de Munich. Alors que la plupart des concepts de bits quantiques élaborés jusqu'ici reposent sur des particules chargées, très sensibles aux interférences électromagnétiques, le système utilisant des nanotubes de carbone contourne ce problème. Le prototype mis au point se résume à un micro-résonateur mécanique : un nanotube de carbone est fixé aux deux extrémités au-dessus d'une cavité, et un champ électrique généré par une électrode le fait entrer en vibration, plus d'un million de fois. Les deux états du QuBit consistent en deux niveaux énergétiques du résonateur, tandis que l'information est lue dans un délai d'une seconde par un capteur opto-électronique.
Nanofils : des îlots quantiques émettent des photons uniques
Les nanofils dotés d'îlots quantiques, - des nanocristaux composés de matériaux semi-conducteurs non organiques -, deviennent capables lorsqu'ils sont excités par un laser à une certaine fréquence d'émettre des photons uniques, ce qui permettrait de transmettre de l'information. Les structures ainsi formées possèdent un débit de photons très rapide.
Molécule organique : des mémoires ultracompactes
Une cellule de mémoire magnétique organique composée de cobalt et de zinc-méthyle-phénalényle (ZMP), un métal organique, a été produite par des chercheurs. En plaçant un film composé de cette molécule sur deux feuilles de cobalt, ils ont réalisé un système magnétique dont le bit peut être contrôlé par un champ magnétique, ouvrant la voie au développement de mémoires miniaturisées.
 
Supraconducteurs : attention, QuBits fragiles
Les supraconducteurs jouent le rôle de générateurs de bits quantiques qu'ils contribuent à protéger temporairement de la décohérence grâce à leur absence de résistance électrique à basse température. Dans le cadre de ses recherches sur l'informatique quantique, IBM a développé un système basé sur la supraconductivité. Les chercheurs ont suspendu une jonction Josephson, soit un courant entre matériaux supraconducteurs polarisé par un champ électrique, dans une cavité micro-onde en cuivre. Dans ce circuit, les QuBits ont une résistance à la décohérence de 100 microsecondes.
Nanopuzzle : reproduction de spin
En réalisant un agencement bidimensionnel de nano-aimants obtenus par dépôt d'un atome de fer ou de manganèse sur de simples molécules organiques, dont le magnétisme d'un aimant sur deux a été désactivé, des chercheurs suisses et indiens sont parvenus à reproduire les propriétés quantiques de plusieurs atomes.

 

Graphène : dopé pour la spintronique
Un graphène magnétisé artificiellement est étudié comme matériau spintronique par des chercheurs espagnols, pour encoder et traiter l'information sur la charge de l'électron. Pour lui donner des propriétés magnétiques, les chercheurs ont cultivé ce film de graphène sur un monocristal de ruthénium dans une chambre à vide et ont évaporé à sa surface des molécules de tétracyano-p-quinodiméthane (TCNQ).

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