Considéré comme un des pionniers des ordinateurs quantiques, le prix Nobel de physique Richard Feynman a réfléchi, au début des années 1980, à leur intérêt pour simuler des phénomènes physiques, comme ceux étudiés au LHC. On le voit ici lors d'une conférence au Cern en 1965. © Cern

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Nouvelle piste pour l'ordinateur quantique : les trous

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Au sein d'un semiconducteur, la répartition des électrons ménage des « trous » qui se comportent comme des particules de charge positive. La théorie dit qu'ils pourraient être utilisés, comme des électrons, pour porter les qubits d'un ordinateur quantique. La pratique vient de le confirmer, avec une heureuse surprise à la clé : ces trous résistent mieux à la décohérence, le cauchemar de l'informatique quantique.

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. 

Les boîtes quantiques sont des paquets d'atomes aux propriétés électroniques intermédiaires entre celles des semiconducteurs et celles des molécules discrètes, et formant des nanocristaux dont les dimensions sont inférieures à 10 nm. Elles ont été découvertes au début des années 1980 par le physicien du solide russe Alexei Ekimov. Selon leurs tailles, ces nano-objets peuvent absorber la lumière à différentes longueurs d'onde et la convertir en « paires d'électrons-trous » au sein du semi-conducteur.

De quels trous s'agit-il ? Dans le semiconducteur, les électrons peuvent alors se répartir sur des niveaux d'énergie quantique, un peu comme dans un atome. Ces niveaux sont si serrés qu'ils peuvent être considérés comme deux bandes d'énergie continues. La plus basse est dite de valence et la plus haute est dite de conduction. Lorsqu'un électron passe de la bande de valence à la bande de conduction, par exemple en absorbant un grain de lumière, il laisse derrière lui une sorte de trou dans la bande de valence qui va se comporter comme une particule massive de charge opposée, donc positive. Il se crée ainsi une paire électron-trou capable de se déplacer dans le semiconducteur.

Le physicien Sascha René Valentin est ici occupé à fabriquer des boîtes quantiques dont la taille est d'environ 30 nanomètres. C'est dans ce matériau semiconducteur que des électrons manquants vont se comporter quantiquement comme des particules de charge positive, avec un spin, et donc capables de porter un qubit d'information. © RUB, Marquard

Les qubits-trous résistent mieux à la décohérence

Un groupe de physiciens allemands, français et suisses s'est intéressé à ce genre de trous à l'intérieur d'une boîte quantique. Tout comme les électrons, ils se comportent comme s'ils avaient un moment cinétique intrinsèque, un spin. Il devrait donc être possible de les exploiter de la même manière que des électrons, et de leur faire porter des qubits, les analogues des bits classiques en théorie de l'information quantique. C'est bien le cas.

Puisque les trous ont une charge et un spin, ils sont comme des toupies aimantées. En utilisant un champ magnétique, on peut faire basculer ce spin vers le haut ou vers le bas, les deux seules valeurs possibles en physique quantique. Voilà de quoi, en théorie, coder des « 0 » et des « 1 » sous la forme d'états de spin, dits « haut » ou « bas ». Or, d'ordinaire, le champ magnétique produit dans les noyaux des atomes par les protons et neutrons (qui sont aussi des sortes de toupies aimantées car ils contiennent des quarks chargés) va perturber l'orientation de ces spins. Il n'est pas le seul, d'autres effets entrent en jeu, notamment si le corps porteur des qubits contient de la chaleur.

Dans les deux cas, c'est le phénomène de la décohérence, celui qui rend difficile et peut-être impossible la réalisation d'ordinateurs quantiques capables de supplanter les ordinateurs classiques, au moins dans la résolution de certains problèmes. La bonne nouvelle est que d'après les travaux de l'équipe de chercheurs publiés dans la revue Nature Materials, les trous sont moins sensibles que les électrons aux champs magnétiques des noyaux. De sorte qu'au moins à basse température, l'écriture et la lecture des qubits d'informations pour des calculs quantiques sont moins sujettes à la dégradation qu'avec des électrons.

Le chemin vers un ordinateur quantique mythique est dans le meilleur des cas encore long mais les physiciens disposent donc maintenant d'une nouvelle voie de recherche dans cette direction.