Des ingénieurs viennent de faire fonctionner une puce d’ordinateur quantique à température ambiante

Une grande partie de la recherche actuelle sur le développement d’un ordinateur quantique implique un travail à très basse température. Le défi à relever pour rendre ces ordinateurs plus pratiques pour un usage quotidien est de les faire fonctionner à température ambiante.

La percée dans ce domaine est due à l’utilisation de certains matériaux de tous les jours, dont les détails ont été publiés cette semaine dans Nature Communications.

Un ordinateur moderne typique représente les informations à l’aide d’un système numérique binaire composé de bits discrets, représentés par 0 ou 1.

Un ordinateur quantique utilise une séquence de bits quantiques, ou qubits. Ils peuvent représenter l’information sous la forme de 0 ou de 1 ou de n’importe quel état entre 0 et 1, appelé superposition quantique de ces qubits.

C’est ce saut qui rend les ordinateurs quantiques capables de résoudre des problèmes beaucoup plus rapidement et puissamment que les ordinateurs classiques d’aujourd’hui.

Tout est dans le spin

Un électron a une charge et un spin. Le spin détermine si un atome va générer un champ magnétique. Le spin peut également être utilisé comme un qubit car il peut subir des transitions entre les états quantiques de spin-up et de spin-down, représentés classiquement par 0 et 1.

Mais les états de spin des électrons doivent donc être résistants à la “décohérence”. Il s’agit du désordre des spins des électrons pendant la superposition quantique, qui entraîne la perte d’informations.

La durée de vie des spins électroniques est affectée par les vibrations du réseau dans un matériau et les interactions magnétiques voisines. L’informatique quantique nécessite des durées de vie des spins électroniques supérieures à 100 nanosecondes.

Le refroidissement d’un matériau à des températures proches du zéro absolu (-273°C) augmente la durée de vie du spin. Il en va de même pour l’utilisation de matériaux conducteurs magnétiquement purs.

L’informatique froide

Les dispositifs quantiques utilisant des matériaux atomiquement lourds comme le silicium ou les métaux doivent donc être refroidis à de basses températures proches du zéro absolu.

D’autres matériaux ont été utilisés pour effectuer des manipulations quantiques à température ambiante. Mais ces matériaux doivent être isotopiques, ce qui nécessite de grandes installations comme des réacteurs nucléaires, et pose des limites quant à la densité des qubits.

Des molécules telles que les composés organométalliques en grappe ont également été utilisées, mais elles nécessitent également de basses températures et une ingénierie isotopique.

Il y a des compromis clairs et établis à prendre en compte concernant la faisabilité de l’application d’un système de matériaux à qubits pour le calcul quantique.

Un matériau conducteur de faible poids atomique avec une longue durée de vie du spin de l’électron dépassant 100 nanosecondes à température ambiante permettrait un calcul quantique pratique. Un tel matériau combinerait les meilleurs aspects des systèmes actuels de qubits à base de matériaux solides.

Pourquoi vous avez besoin de boules à mites

Nous avons démontré qu’il est possible d’obtenir une longue durée de vie du spin des électrons de conduction dans un matériau de type métallique constitué de nanosphères de carbone à température ambiante.

Ce matériau a été produit simplement en brûlant de la naphtaline, l’ingrédient actif des boules de naphtaline.

Le matériau est produit sous forme de poudre solide et se manipule à l’air. Il peut ensuite être dispersé dans des solvants à base d’éthanol et d’eau, ou déposé directement sur une surface comme le verre. Le matériau étant remarquablement homogène, les mesures ont pu être effectuées sur la poudre solide en vrac.

Cela nous a permis d’atteindre un nouveau record de durée de vie du spin électronique de 175 nanosecondes à température ambiante. Cette durée peut sembler courte, mais elle dépasse la condition préalable aux applications de l’informatique quantique et est environ 100 fois plus longue que celle trouvée dans le graphène.

Ce résultat est probablement dû à l’auto-dopage des matériaux en électrons de conduction et à leur confinement spatial de l’ordre du nanomètre. Cela signifie essentiellement que les sphères pourraient être fabriquées entièrement à partir de carbone tout en conservant leur propriété électronique unique.

Nos travaux ouvrent désormais la possibilité de manipuler des qubits de spin dans un matériau conducteur à température ambiante. Cette méthode ne nécessite aucune ingénierie isotopique d’un matériau hôte, aucune dilution de la molécule porteuse de spin, ni aucune température cryogénique.

Elle permet, en principe, d’obtenir un empilement de qubits de plus haute densité que d’autres qubits prometteurs comme ceux utilisés dans le silicium.

Des coûts réduits

La préparation très facile d’un matériau en carbone à l’aide de réactifs de laboratoire courants réduit bon nombre des obstacles technologiques à la réalisation d’un calcul quantique pratique.

Par exemple, les systèmes de réfrigération nécessaires pour refroidir des matériaux proches du zéro absolu peuvent coûter plus de plusieurs millions de dollars et occuper des espaces physiques de la taille de grandes pièces.

Pour construire un ordinateur quantique, il faudrait démontrer que les qubits peuvent subir des manipulations impliquant la superposition d’états quantiques et construire une porte logique quantique (interrupteur) fonctionnelle.

Dans notre travail, nous avons démontré le premier point tout en faisant du second une question d’ingénierie plutôt qu’une percée scientifique. L’étape suivante consisterait à construire une porte logique quantique – un dispositif réel.

Ce qui est passionnant, c’est que le matériau est préparé sous une forme adaptée au traitement du dispositif. Nous avons déjà démontré que les nanosphères de carbone conductrices individuelles peuvent être isolées sur une surface de silicium.

En principe, cela pourrait constituer une première voie vers des réseaux de qubits à haute densité constitués de nanosphères et intégrés aux technologies existantes en silicium ou à l’électronique en couche mince.