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Les ordinateurs quantiques du futur utiliseront-ils des phonons ?

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L'électronique — et donc les ordinateurs — fait déjà usage depuis longtemps des propriétés quantiques de la matière et de la lumière. Depuis quelques années, les physiciens cherchent à utiliser celle du son pour tenter de prolonger la loi de Moore, en espérant que certains des ordinateurs du futur utiliseront les quanta d'énergie sonore, les phonons.

Albert Einstein, que l’on ne présente plus, est à l’origine de la découverte théorique des phonons. © DP4

La course à la miniaturisation des ordinateurs continue de battre son plein dans les laboratoires de la Planète. On cherche aussi à obtenir des ordinateurs plus rapides, avec une puissance de calcul plus importante et qui soient moins gourmands en énergie. Plusieurs pistes sont explorées dans ce but. Certaines sont exotiques comme tenter de s'inspirer du cerveau humain, mais beaucoup d'entre elles font appel aux lois de la physique quantique que ce soit dans le cadre de la spintronique ou encore des mythiques ordinateurs quantiques.

Jusqu'à présent, les ordinateurs utilisent des courants d'électrons, mais on envisage depuis longtemps de mettre à profit la lumière ce qui permettrait d'accélérer la vitesse des calculs. La faisabilité des ordinateurs optiques utilisant des photons a été étudiée depuis les années 1970, mais aucun progrès réellement déterminant n'a été accompli dans cette direction. Toutefois les recherches se poursuivent.

Plutôt que d'utiliser des photons, certains physiciens proposent depuis quelque temps d'utiliser leur cousin, les phonons. Il s'agit de quanta d'énergie associés aux ondes sonores découverts théoriquement par Albert Einstein au début du XXe siècle lorsqu'il cherchait à appliquer la toute jeune théorie des quanta de Max Planck à l'élucidation du comportement de la chaleur spécifique des solides. Des composants électroniques utilisant des phonons au lieu d'électrons, comme des diodes et des transistors sont des prérequis pour construire des ordinateurs à phonons.

Tout comme les photons ont été utilisés pour porter des qubits et faire des calculs quantiques on pourrait faire de même avec les phonons. Dans un article récent publié dans le journal AIP Advances, mais disponible en ligne, la physicienne Sophia Sklan du MIT (où enseigne également Max Tegmark) a dressé un état des lieux des espoirs et des possibilités offerts par l'électronique et les ordinateurs à phonons.

Le réseau cristallin dans un solide formé par des atomes peut se déformer et vibrer, notamment sous l’action du passage d’une onde sonore. La quantification de l’énergie de ces vibrations réclame l’existence de quanta d’énergie appelés phonons. © Stefan Kontur

Des mémoires et des diodes phoniques qui existent déjà

Autant dire clairement tout de suite qu'un ordinateur utilisant des phonons, et on ne parle même pas de sa version quantique, n'existe pas encore. Il faudra attendre au moins une décennie et probablement deux pour cela. Mais on sait déjà faire des diodes à phonons depuis 2006, comme l'a montré une équipe de physiciens de l'université de Berkeley menée par Alex Zettl. Ils ont pour cela mis en pratique avec les vibrations de nanotubes, les idées avancées en 2004 par le physicien Baowen Li de l'université de Singapour.

Le chercheur ne s'était d'ailleurs pas limité à dresser une feuille de route pour l'obtention de diodes, mais aussi de transistors et de portes logiques exploitant des courants de phonons. Dans le cas d'une diode, on exploite le fait que les phonons conduisent aussi de la chaleur. Pour réaliser un tel composant qui ne conduit des phonons que dans un seul sens comme le fait sa cousine classique avec les électrons, il suffisait d'assembler deux matériaux de sorte qu'ils en conduisent la chaleur que dans une seule direction. Des transistors et des portes logiques avec des phonons restent encore cependant des concepts théoriques.

Pour passer à des ordinateurs quantiques phoniques, certains physiciens ont proposé à nouveau d'utiliser les modes de vibration des nanotubes de carbone. Mais là comme ailleurs, se pose le redoutable problème de la décohérence quantique dont on ne sait toujours pas s'il a été au moins partiellement surmonté par la machine construite par D-Wave Systems.

En tout état de cause, remarquablement, des mémoires phoniques sont pour le moment les seuls composants qui ne seraient absolument pas problématiques. En effet, certaines des premières mémoires à accès aléatoire (RAM) ont été construites avec des lignes à retard acoustique, généralement des tubes remplis de fluide, où un signal acoustique peut se propager jusqu'à ce que l'on en ait besoin. Ces tubes étaient initialement remplis de mercure, bien que d'autres conceptions (par exemple les implémentations purement piézoélectriques) ont été considérées. Alan Turing, par exemple, est célèbre pour avoir suggéré d'utiliser sérieusement du gin.

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