Une nouvelle technique révolutionne la recherche de matériaux en informatique quantique

Si la notion d’informatique quantique reste encore relativement abstraite pour une partie du public, il serait facile d’oublier que la théorie sous-jacente, aussi abstraite soit-elle pour le grand public, regorge aussi d’implications très concrètes. Mais encore faut-il être capable d’appliquer cette théorie en pratique, et globalement, c’est à ce niveau que le bât blesse. Mais la donne pourrait changer grâce à des chercheurs de l’université de Pennsylvanie.

En l’état actuel des choses, l’un des principaux freins au développement de l’informatique quantique se trouve du côté des matériaux. Car pour produire les unités logiques d’un processeur quantique, les chercheurs ont absolument besoin d’un composé qui rassemble deux particularités rares : l’intrication quantique et la cohérence.

L’intrication, un phénomène “effrayant” mais aussi fascinant

La première désigne très sommairement un état quantique où deux particules sont reliées par un lien inextricable et indépendant de leur distance; techniquement, si l’une des deux particules subit la moindre modification, l’autre membre du tandem subira précisément les mêmes effets, même s’il est situé à l’autre bout de l’univers. Cette notion a d’ailleurs donné lieu à une célèbre phrase d’Albert Einstein, qui désignait l’intrication quantique comme une “action effrayante à distance”.

Aujourd’hui, le concept est bien mieux compris qu’à l’époque du génial théoricien. C’est un concept qui est aujourd’hui à la base du fonctionnement des ordinateurs quantiques, ou plus précisément des unités logiques sur lesquels ils reposent, les bits quantiques – ou qbits.

Contrairement aux bits standards que vous manipulez au quotidien sur vos ordinateurs, smartphones et autres appareils informatiques, les qbits peuvent co-exister dans plusieurs états simultanément – un peu comme le fameux chat de Schroedinger qui est souvent utilisé pour illustrer ce concept. On parle alors de superposition quantique; pour plus de détails, vous pouvez consulter cet excellent article de l’université de Lisbonne (en anglais). Ce qu’il faut en retenir, c’est qu’ils ne conservent pas l’information de la même façon que les bits standard.

Tout l’enjeu est donc de faire coopérer ces qbits pour installer les bases logiques qui définissent un ordinateur. Ici, un simple courant électrique ne suffit pas. Pour y parvenir, les chercheurs tentent justement de les verrouiller dans un état d’intrication quantique. C’est cette particularité qui permet à un ordinateur quantique de traiter des quantités de données phénoménales en un temps relativement court à l’échelle d’un ordinateur standard.

Maintenir l’intrication, le défi de l’informatique quantique

Le concept en lui-même peut sembler extrêmement abstrait, mais c’est un aspect sur lequel les chercheurs commencent à disposer d’une vraie expertise; il existe aujourd’hui de nombreux ordinateurs quantiques expérimentaux en fonctionnement. En revanche, la donne est différente lorsqu’on intègre le second paramètre mentionné ci-dessus, à savoir la cohérence.

Car produire de nombreuses intrications quantiques ne suffit pas; il faut également les maintenir sur la durée, et c’est nettement plus compliqué. Si compliqué, en fait, que ce paramètre suffit à lui seul à expliquer la relative lenteur du développement de cette technologie, du moins en ce qui concerne les applications grand public.

Les spécialistes cherchent donc encore et toujours à développer un matériau révolutionnaire, capable à la fois de permettre l’intrication, mais aussi de la maintenir. Et c’est précisément ce que revendiquent les chercheurs de l’université de Pennsylvanie avec un matériau très particulier : un semi-métal de formule Ta2NiSe5.

Une nouvelle technique d’étude pour candidats quantiques

Ce dernier a été soumis à une nouvelle technique baptisée effet photogalvanique circulaire, qui repose sur le transfert d’un champ électrique par une onde lumineuse. Cet examen a permis d’en explorer les propriétés pertinentes dans le cadre d’un ordinateur quantique; il a révélé une particularité étrange de ce matériau EN effet, il dispose d’une forme de symétrie qui, lorsqu’elle est présente dans un cristal, l’empêche de réagir à l’effet photogalvanique circulaire; pourtant, Ta2NiSe5 réagit bien à cet effet alors qu’il présente cette symétrie.

Les chercheurs en ont déduit que Ta2NiSe5 avait tendance à perdre sa symétrie à très basse température. Dans ces conditions, on passe d’une structure dite orthorhombique (ou chaque maille du réseau cristallin est un cube) à une structure dite monoclinique.

C’est une découverte qui pourrait sembler parfaitement anecdotique, mais elle est plus conséquente qu’il n’y paraît à première vue. En effet, ces travaux définissent un nouvel outil que les chercheurs pourront désormais utiliser pour étudier d’autres matrices cristallines très complexes; avec un peu de chance, certaines d’entre elles exprimeront un phénomène d’intrication quantique avec une grande cohérence – deux éléments qui, comme mentionné plus haut, sont indispensables au bon fonctionnement des ordinateurs quantiques.

D’après un des auteurs de l’étude citée par Slashgear,, “ces états intriqués de la matière” pourraient bien devenir des “plateformes naturelles sur lesquelles nous pourrions réaliser des simulations quantiques à grande échelle”. Si ces travaux ne permettront pas de produire un ordinateur quantique grand public dans un futur proche, il s’agit incontestablement d’une avancée significative dans cette direction.

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