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Inspirés par le fonctionnement des lasers pulsés, des scientifiques français et japonais ont développé une contrepartie acoustique qui permet la transmission précise et contrôlée d’électrons uniques entre des nœuds quantiques.
Chevauchant les vagues
Le spin d’un électron peut servir de base à la création de qubits, l’unité d’information de base de l’informatique quantique. Pour traiter ou stocker ces informations, les informations en qubits peuvent devoir être transportées entre les nœuds quantiques d’un réseau.
Une option consiste à transporter les électrons, ce qui peut maintenant être fait en les faisant chevaucher des ondes sonores. « Il y a plus de 10 ans, nous l’avons démontré pour la première fois », a déclaré le chercheur principal Christopher Bauerle de l’Institut Néel de Grenoble.
Cependant, cette technique présentait un inconvénient important. Comme toute onde, une onde sonore prend une forme sinusoïdale, composée de nombreux maxima et minima, ce qui rend difficile la prédiction de l’emplacement de l’électron.
Bauerle et son équipe ont maintenant contourné ce problème en concevant une vague qui a un seul minimum ou un seul maximum. « En utilisant une technique appelée synthèse de Fourier, nous avons superposé de nombreuses ondes avec des fréquences différentes de telle sorte qu’il n’y avait qu’un minimum ou un maximum selon que vous appliquiez une tension positive ou négative », a-t-il déclaré.
Bauerle compare ces ondes sonores concentrées à des impulsions laser. « Si vous souhaitez effectuer des mesures résolues dans le temps, vous excitez un système avec une courte impulsion laser. Nous utilisons une technique similaire dans notre système utilisant le son. Puisque nous avons une impulsion acoustique focalisée, nous savons exactement à quelle heure l’électron arrivera à un nœud », a-t-il déclaré.
Paulo Santos, un expert en nanoélectronique basé à Berlin de l’Institut Paul Drude pour l’électronique à semi-conducteurs, compare la technique à un surfeur surfant sur une vague. « Tout comme un surfeur est transporté par une vague dans un océan, le qubit d’électrons chevauche l’onde acoustique de surface pour se déplacer dans le réseau quantique », a fait remarquer Santos, qui ne faisait pas partie de l’étude.
Faire des vagues
Pour générer ces ondes sonores, une puce contenant des nœuds quantiques a été intégrée dans un cristal d’arséniure de gallium relié à deux électrodes plaquées or déposées sur un substrat piézoélectrique. Un champ électrique est généré en appliquant une tension alternative à ces électrodes. Le champ électrique variable déforme le matériau piézoélectrique et génère des ondes acoustiques de surface. Ils sont accompagnés d’un champ électrique en mouvement (généré par effet piézoélectrique inverse) qui permet de transporter les électrons.
Bauerle a énuméré plusieurs avantages de ce système, qui fonctionne à des températures comprises entre 20 milliKelvin et un Kelvin. « Les électrons sont transportés entre les nœuds à la vitesse du son (3 000 m/s). Ceci, associé à la manière précise et contrôlée de la transmission des électrons, nous permet de manipuler l’information quantique en temps réel. Si vous la comparez à la système quantique photonique, les manipulations doivent être faites au préalable car les informations sont transmises à la vitesse de la lumière, ce qui est trop rapide pour une manipulation en temps réel », a-t-il déclaré.
De plus, cette technique peut potentiellement être mise à l’échelle en raison de la grande taille de la forme d’onde. « Une seule onde acoustique peut transporter des électrons de différents nœuds quantiques en même temps », a déclaré Bauerle, ajoutant qu’ils avaient atteint une efficacité de transmission de 99,4% au cours de leurs expériences.
Selon Santos, la capacité unique de cette technique à transporter avec précision des qubits ainsi qu’à les manipuler à la volée sur une puce pourrait avoir un certain nombre d’applications distinctes à l’avenir. « La prochaine grande étape consiste à démontrer l’enchevêtrement de ces qubits volants. L’autre grand effort consistera à transférer cette technologie de l’arséniure de gallium à d’autres matériaux comme le silicium. »
Il a toutefois ajouté qu’il pourrait s’écouler des années avant de voir des applications pratiques basées sur ces recherches.
Santos a souligné que les spins d’électrons ne sont qu’une des nombreuses approches de traitement de l’information quantique ; d’autres options incluent les photons, les qubits supraconducteurs et les atomes froids. Il a souligné que les qubits de photons resteront une approche courante dans les systèmes quantiques.
« Il y a plus de gens qui travaillent sur le traitement quantique à base de photons car il existe déjà une énorme infrastructure. Par exemple, les puces à base de silicium ont également une optique intégrée. La technique de « surf d’électrons » est compatible avec l’intégration sur puce et peut en tirer profit. développements », a-t-il dit, suggérant que les progrès de l’un peuvent aider l’autre.
Examen physique X, 2022. DOI : 10.1103/PhysRevX.12.031035
Dhananjay Khadilkar est un journaliste basé à Paris.