Un minuscule dispositif rempli d’étain et de diamant développé au Massachusetts Institute of Technology et à l’Université de Cambridge pourrait permettre un flux rapide et efficace d’informations quantiques sur de grandes distances.
Dans un article publié dans la revue Photonique naturelle, les scientifiques expliquent que la clé du dispositif est une « micropuce » constituée de diamant dans laquelle certains atomes de carbone du diamant sont remplacés par des atomes d’étain. Les expériences de l’équipe indiquent que le dispositif, constitué de guides d’ondes permettant à la lumière de transporter les informations quantiques, résout un paradoxe qui a bloqué l’arrivée de grands réseaux quantiques évolutifs.
Les informations quantiques sous forme de bits quantiques, ou qubits, sont facilement perturbées par le bruit ambiant, comme les champs magnétiques, qui détruisent les informations. D’une part, il est souhaitable d’avoir des qubits qui n’interagissent pas fortement avec l’environnement. D’un autre côté, cependant, ces qubits doivent interagir fortement avec la lumière, ou les photons, essentiels au transport de l’information sur de longues distances.
Les chercheurs du MIT et de Cambridge permettent les deux en co-intégrant deux types différents de qubits qui fonctionnent en tandem pour sauvegarder et transmettre des informations. De plus, l’équipe signale une grande efficacité dans le transfert de ces informations.
« Il s’agit d’une étape cruciale car elle démontre la faisabilité de l’intégration de qubits électroniques et nucléaires dans une micropuce. Cette intégration répond à la nécessité de préserver les informations quantiques sur de longues distances tout en maintenant une forte interaction avec les photons », a déclaré Dirk Englund, qui a dirigé la recherche au MIT, dans un communiqué aux médias. « Cela a été possible grâce à la combinaison des forces des équipes de l’Université de Cambridge et du MIT. »
Travailler à l’échelle quantique
Un bit d’ordinateur peut être considéré comme n’importe quoi ayant deux états physiques différents, tels que « activé » et « désactivé », pour représenter zéro et un. Dans le monde étrange et ultra-petit de la mécanique quantique, un qubit « a la propriété supplémentaire qu’au lieu d’être dans un seul de ces deux états, il peut être dans une superposition des deux états. Cela peut donc se produire dans ces deux États en même temps », a déclaré Jesús Arjona Martínez, co-auteur de l’étude.
Plusieurs qubits intriqués ou corrélés les uns aux autres peuvent partager beaucoup plus d’informations que les bits associés à l’informatique conventionnelle. D’où la puissance potentielle des ordinateurs quantiques.
Englund et son équipe ont expliqué qu’il existe de nombreux types de qubits, mais que deux types courants sont basés sur le spin, ou la rotation d’un électron ou d’un noyau (de gauche à droite ou de droite à gauche). Le nouveau dispositif implique à la fois des qubits électroniques et nucléaires.
Un électron en rotation, ou qubit électronique, est très efficace pour interagir avec l’environnement, alors que le noyau en rotation d’un atome, ou qubit nucléaire, ne l’est pas.
« Nous avons combiné un qubit réputé pour interagir facilement avec la lumière avec un qubit réputé pour être très isolé, et donc conserver les informations pendant longtemps. En combinant ces deux éléments, nous pensons pouvoir obtenir le meilleur des deux mondes », a déclaré Arjona Martínez.
Comme le système solaire
La façon dont cela fonctionne est que l’électron [electronic qubit] filant dans le diamant peut rester coincé au niveau du défaut d’étain et ce qubit électronique peut alors transférer ses informations au noyau d’étain en rotation, le qubit nucléaire.
« L’analogie que j’aime utiliser est celle du système solaire », a déclaré Isaac Harris, co-auteur de l’article. « Vous avez le soleil au milieu, c’est le noyau d’étain, et puis vous avez la terre qui l’entoure, et c’est l’électron. Nous pouvons choisir de stocker les informations dans le sens de rotation de la Terre, c’est notre qubit électronique. Ou bien nous pouvons stocker les informations dans la direction du soleil, qui tourne autour de son propre axe. C’est le qubit nucléaire.
En général, la lumière transporte les informations via une fibre optique jusqu’au nouveau dispositif, qui comprend un empilement de plusieurs minuscules guides d’ondes en diamant, chacun environ 1 000 fois plus petit qu’un cheveu humain. Plusieurs appareils pourraient alors servir de nœuds contrôlant le flux d’informations dans l’Internet quantique.
Le travail décrit dans cette étude impliquait des expériences avec un seul appareil.
« Mais à terme, il pourrait y en avoir des centaines, voire des milliers, sur une puce électronique », a déclaré Arjona Martínez.
Harris a noté que ses travaux théoriques avaient prédit une forte interaction entre le noyau d’étain et le qubit électronique entrant. « C’était dix fois plus grand que ce à quoi nous nous attendions, alors j’ai pensé que le calcul était probablement erroné. Ensuite, l’équipe de Cambridge est arrivée et l’a mesuré, et il était intéressant de voir que la prédiction était confirmée par l’expérience.
