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Ordinateur quantique : limiter la décohérence avec un champ magnétique

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Un groupe de chercheurs américains de l'University of Southern California a réussi à augmenter le temps de décohérence d'un système quantique à l'aide d'un champ magnétique. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour réaliser des ordinateurs quantiques plus performants.

Le prix Nobel de physique Erwin Schrôdinger. © th.physik.uni-frankfurt

Les ordinateurs classiques font leurs calculs à l'aide de bits d'informations selon les règles de la physique classique. L'état élémentaire d'un circuit est soit 0 soit 1. Mais en utilisant des qubits d'informations, où l'état élémentaire d'un système quantique est à la fois 0 et 1, il est possible d'effectuer bien plus rapidement certains types de calculs. On sait déjà faire des ordinateurs quantiques mais leur capacité de calcul reste pour le moment très en dessous de celle de la plus modeste des calculatrices programmables de poche des années 1970.

La raison en est que des objets de grande taille, bien qu'ultimement soumis aux lois de la physique quantique gouvernant leurs atomes, se comportent comme des objets qui ne sont plus quantiques. C'est la raison pour laquelle, lors d'une expérience, le fameux chat de Schrödinger est toujours observé vivant ou mort et jamais vivant et mort. Intervient alors le phénomène dit de décohérence.

Si l'on veut avoir une vague idée du phénomène de décohérence et de son rôle limitant pour la construction d'un ordinateur quantique, on peut prendre comme analogie celle d'un château de cartes.

Pour réaliser un ordinateur quantique surpassant un ordinateur classique, il faut disposer d'un grand nombre de qubits. On peut se les représenter comme les éléments d'un château de cartes. Plus le château prend de la hauteur, plus il est instable et un petit courant d'air ou une petite vibration de la table suffit pour que tout le château s'écroule. En général, plus le château est grand, plus il a de risque de s'effondrer vite, à moins qu'on le place dans une chambre sous vide ou sur une table l'isolant des vibrations du sol par exemple.

La molécule magnétique Fe8 et ses ligants. En vert, les atomes de fer, en rouge ceux d'oxygène, en bleu ceux d'azote. © UniMoRe

L'entreprise est difficile et on doit généralement refroidir presque au zéro absolu les systèmes quantiques constitués de quelques atomes seulement pour les isoler suffisamment longtemps du bruit de fond ambiant généré par le reste de l'univers afin de pouvoir effectuer quelques timides calculs quantiques. Certains pensent même que l'entreprise est vouée à l'échec, jamais aucun ordinateur quantique écrasant par sa vitesse de calcul un superordinateur comme le Jaguar ne verra jamais le jour.

Un temps de décohérence mille fois plus long

Pour essayer de résoudre ce problème, des chercheurs s'intéressent aux aimants moléculaires. Il s'agit de molécules contenant des ions paramagnétiques et qui peuvent se comporter comme un aimant permanant macroscopique ; un excellent système à la frontière du monde classique et quantique d'une certaine façon. En 2008, des chercheurs des universités de Grenoble, Bielefeld et Beer-Sheva avaient déjà montré (à l'occasion d'une publication dans Natureque l'on devait pourvoir obtenir des effets de cohérence quantique prolongée avec des aimants moléculaires.

Aujourd'hui, et toujours dans Nature, des chercheurs de l'University of Southern California annoncent que leurs calculs sur l'augmentation du temps de cohérence dans une molécule magnétique bien connue, Fe8, se sont révélés justes expérimentalement.

Ils ont d'abord déterminé exactement l'influence des conditions de température et d'intensité d'un champ magnétique externe sur le temps de décohérence de cette molécule magnétique. L'objectif était de déterminer l'optimum qu'il était possible d'attendre puis de réaliser une expérience, et surtout de tester la théorie permettant d'expliquer une possible extension du temps de décohérence.

L'expérience a montré l'importance du champ magnétique dans la prolongation de l'état de cohérence quantique du système, en plein accord avec les calculs. Les résultats obtenus suggèrent qu'il est possible d'atteindre un temps de décohérence d'environ 500 microsecondes, augmentant d'un facteur proche de mille les résultats précédemment obtenus dans ce domaine de recherche.