Le stockage de qubits d'informations quantiques sur des noyaux d'atomes dans des cristaux est prometteur pour la réalisation d'ordinateurs quantiques performants. De nouveaux records de temps de résistance à la décohérence viennent d'être atteints, dont l'un avec du diamant à température ambiante.
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Les ordinateurs classiques, basés sur les travaux d'Alan Turing, effectuent leurs calculs à l'aide de bits d'informations selon les règles de la physiquephysique classique. L'état élémentaire d'un circuit est soit 0 soit 1. Mais en utilisant des qubitsqubits, 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 quantiquephysique quantique gouvernant leurs atomesatomes, 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, jamais vivant et mort. Intervient alors le phénomène dit de décohérence.

Image du site Futura Sciences
  

Fin 2009, des chercheurs français publient une avancée déterminante pour la fabrication d’un ordinateur quantique : un dispositif de lecture haute fidélité d’un bit quantique (ou qubit) pour, un jour, parvenir à effectuer des calculs inaccessibles aux ordinateurs actuels. Tout ceci paraît-il trop compliqué et réservé aux initiés ? Voilà un reportage pour démystifier l'informatique quantique. © Réalisation : Malo Delarue-Production : universcience

Si l'on veut se faire une vaguevague idée du phénomène de décohérence et de son rôle limitant pour la constructionconstruction 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 les représenter comme les éléments d'un château de cartes. Plus il prend de la hauteur, plus il est instable. Quand il atteint quelques étages, un minuscule courant d'air ou une petite vibrationvibration de la table suffit pour que tout le château s'écroule. De façon générale donc, plus le château est grand, plus il a de risques de s'effondrer vite, à moins qu'on ne le place dans une chambre sous vide ou sur une table l'isolantisolant des vibrations du sol par exemple. 

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'universunivers afin de pouvoir effectuer quelques timides calculs quantiques. Certains pensent même que l'entreprise est vouée à l'échec, qu'un ordinateur quantique écrasant par sa vitessevitesse de calcul un superordinateursuperordinateur comme le Jaguar ne verra jamais le jour. 

Une image d'artiste illustrant le concept d'ordinateur quantique avec des diamants. © Element Six

Une image d'artiste illustrant le concept d'ordinateur quantique avec des diamants. © Element Six

Certains chercheurs ne perdent pas espoir, comme ceux d'IBM. Il existe diverses voies de recherches qui peuvent laisser penser que l'obstacle sera un jour contourné, peut-être avec des ordinateurs quantiques topologiques. Le plus probable est qu'on arrivera à faire au moins des simulateurs quantiques intéressants. 

La piste des ordinateurs quantiques avec des cristaux

Ce sont les pièges à ionsions qui permettent d'obtenir les plus longs temps de cohérence mais il n'est pas sûr que l'on puisse s'en servir pour réaliser des ordinateurs quantiquesordinateurs quantiques vraiment utilisables. L'idéal serait de disposer de composants électroniques bien conçus grâce auxquels ces engins deviendraient semblables à nos actuels ordinateurs portables. C'est pourquoi des recherches sont conduites en physique du solide pour obtenir des mémoires et des puces quantiques.

Depuis des années, les chercheurs se sont tournés vers des diamants et les amateurs de science-fiction ne manqueront pas de penser à la civilisation kryptonienne de Superman. L'idée est de manipuler à l'aide d'impulsions laserlaser ou micro-ondes l'état de spinspin des électronsélectrons de certains noyaux dans des cristaux, notamment de diamantdiamant. Du fait d'interactions faiblesinteractions faibles dites hyperfines entre le spin de ces électrons et celui du noyau autour duquel ils sont liés, il est possible de transférer le qubit d'information enregistré de l'électron au noyau. Si ce noyau constitue un défaut dans un cristal presque pur constitué de noyaux différents, dépourvus de spin, donc sans interactions possibles capables de détruire l'information quantique stockée, celle-ci sera beaucoup plus résistante à la décohérence.

Les derniers avatarsavatars de ces approches ont été publiés dans deux articles de Science, montrant les progrès dans cette voie de recherche pour un mythique ordinateur quantique surpuissant qui fait rêver les tenants de la singularité technologique comme Ray Kurzweil et les membres de Russia 2045.

Des impuretés sous forme de phosphorephosphore 31 ont permis de stocker des qubits d'information dans un cristal presque pur de noyaux de siliciumsilicium 28 pendant plus de 3 minutes. Mais il a fallu refroidir le cristal à 2 kelvinskelvins. En revanche, si le temps de résistancerésistance à la décohérence n'a duré que 1,4 seconde pour des noyaux de carbonecarbone 13 dans un cristal de diamant formé de noyaux de carbone 12 pour l'essentiel, la performance a été obtenue à température ambiante !