Des physiciens observent un phénomène inédit

Une équipe de chercheurs internationale, dont un physicien de l’UdeS, vient de mettre au jour une manifestation inusitée de l’univers quantique. Cette percée pose un nouveau jalon dans le développement de l’ordinateur quantique, cette super machine qui promet d’accroître dramatiquement les capacités des ordinateurs.

De tous les modèles de circuit quantique, la technologie des boîtes confinant des spins électroniques est considérée comme particulièrement prometteuse. Une fois constitué, l’ordinateur quantique comportera des millions de boîtes. Chacune d’elles contiendra un électron et sera intégrée dans un circuit. Le spin de l’électron – un état quantique intrinsèque à la particule – interviendra pour stocker et manipuler de l'information quantique. Les travaux de fabrication de ces boîtes connaissent une évolution encourageante.

Or, un pas de plus vient d’être marqué dans le développement de l’ordinateur quantique. C’est du moins ce que laisse présager une découverte à laquelle a contribué le professeur Michel Pioro-Ladrière, du Département de physique de l’UdeS.  Avec ses collègues du Conseil national de recherches du Canada (CNRC), à Ottawa, ainsi que de l’Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, en Espagne, il a mis au jour un phénomène inédit qui peut conduire à de nouveaux modes de spins autour d'un circuit quantique. Les résultats des travaux ont été publiés dans la revue Nature Nanotechnology.

L’univers quantique
Les théories quantiques décrivent le comportement des atomes et des particules et permettent d'élucider certaines propriétés du rayonnement électromagnétique. La matière que l’on croyait bien ordonnée ne l’est plus dans l’univers quantique. Ainsi, chaque particule peut se trouver à deux endroits différents, au même moment, ou encore dans deux états qui sont incompatibles en physique conventionnelle.

De nouveaux modes de spins qui font passer le courant

Après être arrivé à fabriquer un circuit quantique de deux boîtes en 2011, l’équipe a réussi, en 2012, à ajouter une troisième boîte ainsi qu’un troisième électron. Cet ajout a été réalisé dans le laboratoire du professeur Andrew Sachrajda, agent de recherche principal au CNRC et professeur associé à l’UdeS. Le physicien Michel Pioro-Ladrière a agi comme expert de la lecture du spin. Depuis des années, les deux chercheurs travaillent ensemble à comprendre comment les boîtes s’imbriquent les unes dans les autres à mesure que le circuit quantique se complexifie. Ils s’efforcent de comprendre ce qui se passe dans le transport du courant électrique.

« Les résultats sont clairs pour une boîte quantique, puis deux, mais l’ajout d’une troisième complexifie le système, souligne le professeur Pioro-Ladrière, qui a conseillé l’équipe dans l’ajustement des paramètres pour l’ajout de la troisième boîte. Cela apporte des effets inattendus. » Les physiciens s’attendaient à observer un blocage de spin, qui a pour effet de stopper le courant électrique; cet effet est bien connu dans le transport d’électrons à travers des boîtes quantiques. Or, l’équipe a plutôt remarqué un phénomène étonnant : dans certaines conditions, les électrons peuvent transférer entre la première et la dernière boîte sans jamais être présents dans la boîte centrale. Le courant électrique n’est pas bloqué.

« Il s’agit d’un phénomène purement quantique, se réjouit le physicien Michel Pioro-Ladrière. Cette découverte a d'énormes implications en informatique ainsi que pour le traitement de l'information. Le fait d’être capable de transporter des électrons vers d'autres parties d'un circuit de cette façon améliore l'efficacité des processeurs quantiques. »

Ce dispositif à trois boîtes est le plus évolué, à ce jour, des systèmes quantiques basés sur le spin des électrons. Cette découverte pourrait rendre possible de nouveaux types d’opération logique quantique, qui impliquent le transport des charges et des spins.