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Ordinateur quantique : vers des qubits nucléaires ?

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Certains noyaux, possédant un moment cinétique, peuvent être utilisés pour stocker des qubits, comme avec le spin des électrons. Ils ont l'avantage de mieux résister à la décohérence mais manipuler ces qubits imposait jusqu'ici un champ magnétique, ce qui constituait un obstacle pour la réalisation d'un ordinateur quantique. Un groupe de physiciens a trouvé une astuce permettant de se servir de champs électriques comme pour des circuits d'ordinateurs classiques.

Une vue d'artiste d'un transistor quantique formé d'un ion terbium entouré de deux molécules de phthalocyanine. Le noyau de l'ion terbium (au centre) possède un moment cinétique pouvant prendre quatre valeurs. Il est utilisable pour stocker un qubit d'information comme on le ferait avec le spin des électrons. © S. Thiele, CNRS, C. Grupe, KIT

Le spin des électrons n'est pas le seul support possible pour un qubit d'information. On explore aussi les possibilités offertes par le spin des noyaux. Plusieurs travaux ont ainsi porté sur l'enregistrement de qubits avec des noyaux d'atomes de carbone, via des centres colorés dans du diamant, ou encore avec des noyaux de phosphore. La solution nucléaire a l'avantage de rendre la superposition d'états quantiques avec plusieurs qubits moins sensible à la décohérence.

Malheureusement, manipuler ces spins nucléaires se révèle plus difficile. De plus, la miniaturisation, pour disposer de véritables puces quantiques, reste problématique. En effet, les qubits nucléaires, jusqu'ici, se manipulaient uniquement à l'aide de champs magnétiques, ce qui impose des microbobines intégrées sur les circuits quantiques. En plus d'être difficilement miniaturisables, ces bobines sont gourmandes en courant électrique.

Johannes Stark (1874-1957) était un physicien allemand lauréat du prix Nobel de physique de 1919 pour ses travaux en physique expérimentale. Bien qu’initialement favorable à la théorie de la relativité d’Albert Einstein, il finira par s’y opposer et deviendra malheureusement un fervent nazi. © Fondation Nobel

Les qubits nucléaires deviennent une solution pour l'ordinateur quantique

Une équipe de chercheurs du CNRS, de l'Institut Néel et de l'université de Strasbourg a réussi à contourner ce problème avec leurs collègues du Karlsruhe Institute of Technology. Au lieu d'un champ magnétique, ils utilisent un champ électrique, ce qui permet en bonus de faire basculer rapidement les spins nucléaires. En fait, comme les physiciens l'expliquent dans un article publié dans Science, c'est bien un champ magnétique qui, in fine, contrôle les qubits. Mais celui-ci est généré indirectement par un effet Stark hyperfin.

En effet, un champ électrostatique peut modifier les niveaux d'énergies associés aux orbites des électrons dans un atome, c'est à proprement parler l'effet Stark. Or, du fait de leur mouvement sur des orbites quantiques autour des noyaux, ces électrons génèrent un champ magnétique qui se couple au moment magnétique des noyaux atomiques, lesquels se comportent comme des aimants. (S'y ajoute aussi le champ magnétique créé par le moment magnétique intrinsèque des électrons.) Ce couplage produit des niveaux d'énergie supplémentaires différant peu des niveaux d'énergies principaux dans un atome, ce qui contribue à ce qu'on appelle sa structure hyperfine. De plus, il autorise donc aussi un champ électrostatique à modifier l'interaction magnétique entre les moments magnétiques des noyaux et les électrons sur ces niveaux d'énergies hyperfins. En résumé, modifier les orbites atomiques des électrons avec un champ électrique extérieur permet de faire basculer à volonté dans un sens ou un autre le spin de certains noyaux en y générant un champ magnétique.

Les physiciens ont pu mettre cette idée en pratique avec un noyau de terbium, un élément qui fait partie des terres rares, sous forme d'ion Tb3+ au cœur d'une molécule magnétique de TbPc2. Entouré par deux molécules de phthalocyanine, l'ion constitue avec elle une sorte de transistor connecté à trois électrodes. Les chercheurs pensent que leur méthode est applicable à d'autres systèmes quantiques similaires et donc à d'autres collections de noyaux pouvant porter des qubits sous forme d'états de spin nucléaire. Il devrait donc être possible de développer de nouveaux types de circuits électroniques pour l'informatique quantique en suivant la voie qu'ils ont ouverte.

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