Sciences

Ordinateur quantique et décohérence : la piste d'un colorant bleu

ActualitéClassé sous :physique , ordinateur quantique , qubit

Cela fait quelques années que des chercheurs britanniques explorent dans le domaine de l'information quantique, le potentiel d'un colorant bien connu : la phtalocyanine. Ils annoncent maintenant qu'un de ses pigments à base de cuivre permet de stocker des qubits pendant un temps remarquablement long. Il s'agit donc d'une nouvelle voie à suivre pour contourner l'obstacle de la décohérence, qui limite jusqu'à présent le développement des ordinateurs quantiques.

Une vue d’artiste de molécules de phtalocyanine de cuivre sur un substrat en plastique souple. Elles forment un réseau régulier avec, à l'arrière-plan, des franges obtenues par microscopie électronique à transmission. Les flèches indiquent la superposition des états quantiques, avec des qubits associés aux spins des électrons des atomes de cuivre au centre de chaque molécule. On a découvert que l'on pouvait de cette façon obtenir des temps de décohérence longs. Cela permettrait peut-être de réaliser un jour des ordinateurs quantiques performants. © Phil Bushell, Sandrine Heutz, Gabriel Aeppli, James Gilchrist

Les ordinateurs d'Alan Turing et John von Neumann ont profondément changé notre vie et le cours de l'histoire de l'humanité. Mais il s'agit encore de calculateurs manipulant des bits d'information selon des processus de calcul classique. Quelles révolutions pourraient bien se produire lorsqu'ils manipuleront de grandes quantités d'informations sous forme de qubits ?

Il est bien difficile de le dire, et le domaine des ordinateurs quantiques en est encore à ses balbutiements, malgré la récente annonce-choc de l'achat par Google d'un calculateur quantique. Il est vrai que pour certains types de problèmes, un calculateur quantique a le potentiel de trouver une solution beaucoup plus rapidement qu'un calculateur classique. Mais la plupart du temps, une simple amélioration des algorithmes de calcul classique et une augmentation modérée de la puissance d'un ordinateur basique sont presque toujours capables de faire jeu égal avec les calculateurs quantiques. Il se pourrait aussi que le Human Brain Project nous donne des clés pour concevoir des ordinateurs classiques encore plus performants.

Une superposition quantique problématique

En tout état de cause, un calculateur quantique puissant suppose de savoir contrôler les problèmes liés à la décohérence quantique. On sait en effet qu'il est possible d'effectuer rapidement des calculs quantiques grâce au fameux principe de superposition des états quantiques. Souvent, il permet de coder des « 0 » et des « 1 » sous forme d'états de spin haut et bas d'électrons, simultanément dans ces deux états. Ce qui revient à réaliser, en quelque sorte, des calculs en parallèle. Mais pour cela, il faut que l'état de superposition dure suffisamment longtemps, avant que la décohérence n'intervienne pour détruire la superposition des états, afin que le calcul ait donc le temps de se terminer.

Le prix Nobel de physique Richard Feynman s'est intéressé à la réalisation d'ordinateurs quantiques au début des années 1980. Il est considéré comme l’un des pionniers de ce domaine. © Tom Harvey

Pour le moment, on ne sait le faire qu'avec un petit nombre de qubits, car plus ils sont nombreux, plus la décohérence opère vite. C'est pourquoi les calculateurs quantiques ne sont encore que des curiosités de laboratoire sans véritables applications pratiques. On cherche donc de par le monde à construire des systèmes quantiques les moins sensibles possible, afin d'allonger le temps de décohérence pour un grand nombre de qubits.

Un colorant pour la spintronique et les calculs quantiques

Il y a environ cinq ans, les chercheurs du London Centre for Nanotechnology (LCN) de l'Imperial College avaient déjà annoncé qu'un pigment assez commun, la phtalocyanine, possédait des propriétés intéressantes concernant l'information quantique et plus généralement la spintronique. Il était possible d'y stocker de l'information sous forme de qubits avec des électrons. Ils publient aujourd'hui dans Nature un article dans lequel ils annoncent qu'ils ont été un peu plus loin dans la découverte du potentiel de ce colorant pour les ordinateurs quantiques.

En effet, il apparaît que des électrons dans de la phtalocyanine de cuivre (CuPc), dont les molécules ressemblent à des sections de la chlorophylle, résistent particulièrement bien à la décohérence quand ils sont placés dans un état de superposition. Enfin, la phtalocyanine peut former des films facilement manipulables sur des supports en plastique souple pour toute sorte d'utilisation. La molécule absorbe fortement la lumière dans le visible et elle peut être modifiée chimiquement sans difficulté, en vue d'obtenir diverses propriétés magnétiques ou électriques. Toute une électronique nouvelle pour l'information quantique pourrait donc émerger avec ce pigment.