Le prix Nobel de physique Richard Feynman a été un pionnier des ordinateurs quantiques au début des années 1980. On le voit ici en séminaire au Cern en 1965. © Cern

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Ordinateur quantique : une nouvelle mémoire avec du diamant (MAJ)

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Pour fonctionner, un ordinateur a besoin d'une mémoire où il peut lire et écrire des données. Les ordinateurs quantiques n'échappent pas à cette règle mais ils doivent pour cela se protéger contre la décohérence. Les physiciens explorent dans ce but la voie du stockage des données avec des diamants. De nouveaux progrès viennent d'être réalisés.

Interview : en quoi un ordinateur quantique est-il différent ?  Le monde quantique est fascinant : à cette échelle, par exemple, les objets peuvent se trouver simultanément dans plusieurs états. Exploitant ce principe, un ordinateur quantique aurait des possibilités bien plus vastes qu’un modèle classique. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Claude Aslangul, professeur à l’UPMC, afin qu'il nous explique le fonctionnement de cette étrange machine. 

De nombreux laboratoires sur la planète explorent le tout jeune domaine de l'information quantique en espérant qu'il permettra de générer une nouvelle révolution technologique, comme ce fut le cas avec les transistors et les lasers, des outils déjà quantiques par essence. La cryptographie quantique est déjà parmi nous mais on ne peut pas en dire autant des ordinateurs ou, pour le moins, des calculateurs et des simulateurs quantiques envisagés par Richard Feynman, lesquels restent pour le moment des curiosités de laboratoires.

Comme l'explique le physicien Claude Aslangul dans la vidéo ci-dessus, des ordinateurs quantiques fonctionnent selon des principes différents que les ordinateurs classiques. Ils permettent de manipuler des informations sous forme de qubits. Malheureusement, les tentatives de réalisation de ces machines butent encore largement sur le problème de la décohérence. On essaye de le contourner en utilisant des diamants pour stocker les qubits, comme nous l'avions déjà expliqué il y a presque 10 ans (voir l'article initial ci-dessous). Une équipe internationale de physiciens vient de publier une étude dans Nature Photonics qui fait état d'un progrès dans la lutte contre la décohérence avec un nouveau type de mémoire quantique portée par du diamant.

Sous l'effet d'un rayonnement laser, ce diamant synthétique devient fluorescent en raison de la présence d'atomes d'azote. Un tel diamant est adapté à la réalisation de mémoires pour les ordinateurs quantiques. © Institute of Atomic and Subatomic Physics, TU Wien

Les chercheurs de l'université technique de Vienne (en allemand, Technische Universität Wien ou TU Wien) ont en effet joint leurs forces avec ceux de la Nippon Telegraph and Telephone Corporation, ou NTT, un opérateur de téléphonie leader du marché japonais des télécommunications. De nouveau, les qubits considérés sont portés par des atomes d'azotes présents dans les centres colorés des diamants. Dans le cas des précédentes mémoires quantiques, le temps de résistance à la décohérence était d'environ une demi-microseconde, après quoi on ne pouvait plus faire confiance à la fidélité de l'information stockée.

Dans le cas présent, en utilisant des atomes d'azote dans des diamants synthétiques couplés par un rayonnement dans le domaine des micro-ondes, les physiciens sont parvenus à augmenter ce temps de résistance à la décohérence d'un facteur 10. La clé de la méthode utilisée repose sur ce que l'on appelle des « trous spectraux brûlés » (en anglais cela fait référence au Spectral Hole Burning). Cela permet de changer l'état quantique d'une partie des atomes d'azote, alors que les autres sont projetés en réponse dans un nouvel état plus stable et résistant aux perturbations de l'environnement capables de dégrader l'information nommée « état noir » (dark state en anglais). Comme on peut écrire et lire l'information dans cet état en quelques nanosecondes, il est possible de répéter ces opérations un grand nombre de fois en quelques microsecondes.

On est encore loin cependant d'un ordinateur quantique capable d'établir la suprématie quantique.

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La mémoire quantique du diamant

Article publié par Laurent Sacco le 11/06/2007

La réalité est-elle en train de rattraper la fiction ? Dans les adaptations cinématographiques de Superman, on peut voir que la civilisation avancée de Krypton stockait la mémoire de ses connaissances dans des cristaux, lesquels devaient probablement aussi servir d'ordinateurs. Une équipe de chercheurs, comprenant  Mikhail D. Lukinprofessor of physics in Harvard's Faculty of Arts and Sciences, vient de réaliser une mémoire et un processeur d'ordinateur quantique avec des noyaux de carbone 13 dans du diamant !

Beaucoup de laboratoires sur la planète sont engagés dans la mise au point d'un ordinateur quantique. Des possibilités de calculs extraordinaires résulteraient d'une telle technologie et l'impact sur notre civilisation serait important. Toutefois, sa réalisation se heurte à un problème de taille. Les lois de la mécanique quantique, qui sont à la base de l'efficacité d'un ordinateur quantique, rendent aussi sa réalisation très délicate.

Le stockage et le traitement de l'information dans ces ordinateurs repose sur la possibilité d'intriquer des états quantiques de particules ainsi que sur le fameux principe de superposition des états quantiques. Si ce principe opérait à notre échelle, toutes sortes de paradoxes que l'on n'observe pas se produiraient. On aurait ainsi une localisation simultanée à deux endroits différents pour des objets, comme la Lune, ou la possibilité pour un organisme vivant d'être dans un état à la fois mort et vivant par exemple. Ce dernier paradoxe est célèbre, il s'agit de celui du chat de Schrödinger.

À première vue, ce principe de superposition quantique devrait opérer à notre échelle, puisque les lois fondamentales du Monde sont quantiques. Il a donc  fallu comprendre pourquoi cela ne se produisait pas, malgré les équations de la mécanique quantique.

La réponse semble avoir été trouvée dans l'interaction d'un objet quantique avec son environnement que décrit la théorie de la décohérence. Dans le cas d'un objet se rapprochant de la taille d'un objet classique, les niveaux d'énergies associés à celui-ci deviennent de plus en plus rapprochés. C'est ce qu'on peut voir pour les orbites hautes d'un atome d'hydrogène avec le modèle de Bohr par exemple. Une interaction, même extrêmement faible avec le reste de l'Univers suffit alors pour faire basculer l'objet d'un état à un autre. En pratique, plus un objet est grand plus la superposition quantique des états sera détruite rapidement et seule restera une des possibilités d'états pour un système. La Lune sera localisée sur sa trajectoire et le chat de Schrödinger sera mort ou vivant.

À droite, on voit la structure cristalline du diamant avec un atome d'azote (N) à la place d'un atome de carbone et une lacune (V) indiquant l'absence d'un atome de carbone. C'est un centre coloré NV. Sur la gauche, on a représenté deux centres NV dont les moments cinétiques (electron spin, nuclear spin) peuvent être influencés par un champ électromagnétique variable dans le temps (driving field). On peut se servir de ces centres pour travailler sur l'information quantique. © APS, S. Benjamin, J. Smith

Pour être efficace, un ordinateur quantique doit disposer de beaucoup d'états possibles, ce qui veut dire qu'il doit comporter plusieurs particules et se rapprocher d'une taille « macroscopique ». Le temps pendant lequel ce système restera dans un état de superposition deviendra donc de plus en plus court, et cela rendra son utilisation pour faire des calculs quantiques de plus en plus difficile. À moins d'arriver à l'isoler suffisamment du reste de l'Univers.

On a déjà réalisé des ordinateurs quantiques, mais ils ne comportaient qu'un très petit nombre de particules, ce qui ne permettait de faire que des calculs très élémentaires. Pour isoler le système, il fallait de plus le refroidir presque au zéro absolu et le placer dans des cavités où règnait un vide poussé. Malgré des recherches s'étendant sur plus de 10 ans, un ordinateur quantique vraiment performant et pratique n'a toujours pas été réalisé et on peut même douter qu'il le sera un jour.

La technologie Kryptonienne est basée sur les cristaux dans le film Superman © Warner Bros

Des qubits avec les centres colorés des diamants

Les chercheurs se sont rappelés que les noyaux de certains atomes peuvent parfois constituer naturellement des systèmes quantiques particulièrement isolés. Certains, comme le carbone 13, possèdent un moment cinétique, un spin, et, comme les électrons, celui-ci peut donner lieu à différents états quantiques susceptibles de servir à stocker des qbits d'informations (la généralisation quantique des bits classiques). Dans le cas de cristaux de diamant, contenant ces isotopes du carbone 12, on a donc théoriquement  la possibilité de stocker et de manipuler de l'information quantique à température ambiante et pendant la durée nécessaire à l'exécution d'un calcul quantique conséquent.

En fait, cette caractéristique d'isolement crée sa propre difficulté car il faut justement trouver le moyen d'agir sur ce noyau, afin d'enregistrer l'information et de la manipuler. La solution trouvée par les chercheurs a consisté  à manipuler, par laser, le spin des électrons d'atome d'azote constituant les impuretés du diamant. Comme il existe un couplage entre le spin de ces électrons et celui des noyaux de carbone 13 constituant jusqu'à 1 % des noyaux du diamant, les chercheurs ont pu manipuler quelques-uns de ces noyaux et ainsi ouvrir la porte au stockage de l'information quantique.

Il est trop tôt pour dire jusqu'où on pourra aller dans la quête d'un ordinateur quantique avec cette technique mais, rien que du point de vue de la physique des solides, cette manipulation fine du spin de certains noyaux, via des électrons, est déjà une belle réussite.