Une équipe de recherche internationale a mis au point un dispositif semi-conducteur qui pourrait être à la base de la fabrication d'un ordinateur quantique. Il s'agit d'une double boîte quantique emprisonnant deux électrons, dont l'orientation des spins — une propriété magnétique fondamentale — est sélectivement contrôlée par un microaimant.

Le professeur Michel Pioro-Ladrière du Département de physique de l'Université de Sherbrooke, aidé de ses collègues au Japon et en Autriche, est à l'origine de la fabrication du dispositif qui permet d'opérer des calculs quantiques. Son fonctionnement est décrit dans la version en ligne du journal Physical Review Letters du 26 septembre 2011.

«Nous avons réussi à préparer les électrons pour le calcul, à agir sélectivement sur l'orientation de leurs spins, à les coupler pour opérer l'algorithme choisi et finalement à lire le résultat, résume le professeur Pioro-Ladrière. C'est la première fois que le tout est combiné dans une seule expérience», précise le physicien.

Depuis la découverte, il y a dix ans, des premières boîtes quantiques confinant des spins électroniques, les spécialistes considèrent cette technologie comme une des plus prometteuses pour l'avenir de l'informatique quantique. En effet, l'information à traiter (0 ou 1) peut s'encoder par l'orientation de spins diamétralement opposés qui se manipulent relativement bien. Mais il manquait jusqu'à maintenant une expérience complète pour prouver sa faisabilité. «Nous avons apporté la preuve de principe que le dispositif fonctionne et qu'il permet de faire les calculs essentiels aux algorithmes quantiques», affirme le chercheur.

Une stabilité à optimiser

L'équipe a fabriqué cette boîte quantique dans un matériau semi-conducteur couramment utilisé pour les téléphones cellulaires, ce qui faciliterait le passage vers une production industrielle éprouvée. Actuellement, sa stabilité, soit le temps disponible avant de perdre l'information quantique, est encore trop faible pour un ordinateur quantique fonctionnel. Mais le physicien croit qu'en raison de son échelle de fonctionnement microscopique (un spin par électron), les améliorations potentielles sont prometteuses.

«Notre équipe cherche déjà à optimiser le design des microaimants et à diminuer l'intensité des champs magnétiques des noyaux autour des électrons qui perturbent la cohérence quantique nécessaire», explique le spécialiste.

Il existe déjà un autre dispositif plus stable : le circuit électrodynamique quantique fabriqué avec des matériaux supraconducteurs, aussi appelé bus quantique. Par contre, son échelle de fonctionnement macroscopique n'offre peut-être pas le même potentiel de développement qu'un système à l'échelle microscopique, croit le professeur Pioro-Ladrière.

«L'avenir de l'ordinateur quantique est peut-être une combinaison de boîtes quantiques et de bus quantiques comme ceux développés par mon collègue Alexandre Blais, professeur au même Département, anticipe le professeur Pioro-Ladrière. Ainsi, nous aurions le meilleur des deux mondes.»

Dans quelques mois, le professeur Pioro-Ladrière aura un atout supplémentaire pour poursuivre son travail. Il ouvrira un nouveau laboratoire à la Faculté des sciences. «Ce sera le premier laboratoire expérimental d'informatique quantique au Québec», précise-t-il. De plus, avec l'aide du Centre de recherche en nanofabrication et nanocaractérisation de l'Université de Sherbrooke (CNR2), son équipe pourra directement fabriquer et manipuler des circuits quantiques à Sherbrooke. Ses recherches, et celles de ses collègues de l'Équipe de recherche en physique de l'information quantique (ÉPIQ), permettent de prédire des développements prometteurs pour l'informatique quantique à Sherbrooke.

Pour conclure, le chercheur rappelle que le Canada s'est taillé une place de choix ordre dans le domaine. Pour preuve, l'inventeur de la toute première boite quantique, maintenant utilisée par la plupart des groupes de recherche dans le monde, était son directeur de recherche de maitrise à Sherbrooke : Andrew Stanislaw Sachrajda du Conseil national de recherches du Canada également professeur associé au Département de physique de l'Université de Sherbrooke.