ordinateur quantique

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Le 11 juin 2007

[center]La mémoire quantique du diamant[/center]

Par Laurent Sacco, Futura-Sciences

La réalité est-elle en train de rattraper la fiction ? Dans les adaptations cinématographiques de Superman, on peut voir que la civilisation avancée de Krypton stockait la mémoire de ses connaissances dans des cristaux, lesquels devaient probablement aussi servir d’ordinateurs. Une équipe de chercheurs, comprenant  Mikhail D. Lukin, professor of physics in Harvard's Faculty of Arts and Sciences, vient de réaliser une mémoire et un processeur d’ordinateur quantique avec des noyaux de carbone 13 dans du diamant !

Beaucoup de laboratoires sur la planète sont engagés dans la mise au point d’un ordinateur quantique. Des possibilités de calculs extraordinaires résulteraient d’une telle technologie et l’impact sur notre civilisation serait important. Toutefois, sa réalisation se heurte à un problème de taille. Les lois de la mécanique quantique, qui sont à la base de l’efficacité d’un ordinateur quantique, rendent aussi sa réalisation très délicate.

Le stockage et le traitement de l’information dans ces ordinateurs repose sur la possibilité d’intriquer des états quantiques de particules. On a alors à l’œuvre le fameux principe de superposition des états quantiques. Si ce principe opérait à notre échelle, toutes sortes de paradoxes que l’on n’observe pas se produiraient. On aurait ainsi une localisation simultanée à deux endroits différents pour des objets, comme la Lune, ou la possibilité pour un organisme vivant d’être dans un état à la fois mort et vivant par exemple. Ce dernier paradoxe est célèbre, il s’agit de celui du chat de Schrödinger.

A première vue, ce principe de superposition quantique devrait opérer à notre échelle, puisque les lois fondamentales du Monde sont quantiques. Il a donc  fallu comprendre pourquoi cela ne se produisait pas, malgré les équations de la mécanique quantique.

La réponse semble avoir été trouvée dans l’interaction d’un objet quantique avec son environnement. Dans le cas d’un objet se rapprochant de la taille d’un objet classique, les niveaux d’énergies associés à celui-ci deviennent de plus en plus rapprochés. C’est ce qu’on peut voir pour les orbites hautes d’un atome d’hydrogène avec le modèle de Bohr par exemple. Une interaction, même extrêmement faible avec le reste de l’Univers suffit alors pour faire basculer l’objet d’un état à un autre. En pratique, plus un objet est grand plus la superposition quantique des états sera détruite rapidement et seule restera une des possibilités d’états pour un système. La Lune sera localisée sur sa trajectoire et le chat de Schrödinger sera mort ou vivant.

Pour être efficace, un ordinateur quantique doit disposer de beaucoup d’états possibles, ce qui veut dire qu’il doit comporter plusieurs particules et se rapprocher d’une taille « macroscopique ». Le temps pendant lequel ce système restera dans un état de superposition deviendra donc de plus en plus court, et cela rendra son utilisation pour faire des calculs quantiques de plus en plus difficile. A moins d’arriver à l’isoler suffisamment du reste de l’Univers.

On a déjà réalisé des ordinateurs quantiques, mais ils ne comportaient qu’un très petit nombre de particules, ce qui ne permettait de faire que des calculs très élémentaires. Pour isoler le système, il fallait de plus le refroidir presque au zéro absolu et le placer dans des cavités où règnait un vide poussé. Malgré des recherches s’étendant sur plus de 10 ans, un ordinateur quantique vraiment performant et pratique n’a toujours pas été réalisé et on peut même douter qu’il le sera un jour.

Les choses pourraient donc changer radicalement avec la découverte publiée dans Science.

Les chercheurs se sont rappelés que les noyaux de certains atomes peuvent parfois constituer naturellement des systèmes quantiques particulièrement isolés. Certains, comme le carbone 13, possèdent un moment cinétique, un spin, et, comme les électrons, celui-ci peut donner lieu à différents états quantiques susceptibles de servir à stocker des qbits d’informations (la généralisation quantique des bits classiques). Dans le cas de cristaux de diamant, contenant ces isotopes du carbone 12, on a donc théoriquement  la possibilité de stocker et de manipuler de l’information quantique à température ambiante et pendant la durée nécessaire à l’exécution d’un calcul quantique conséquent.

En fait, cette caractéristique d’isolement crée sa propre difficulté car il faut justement trouver le moyen d’agir sur ce noyau, afin d’enregistrer l’information et de la manipuler. La solution trouvée par les chercheurs a consisté  à manipuler, par laser, le spin des électrons d’atome d’azote constituant les impuretés du diamant. Comme il existe un couplage entre le spin de ces électrons et celui des noyaux de carbone 13 constituant jusqu’à 1 % des noyaux du diamant, les chercheurs ont pu manipuler quelques-uns de ces noyaux et ainsi ouvrir la porte au stockage de l’information quantique.

Il est trop tôt pour dire jusqu’où on pourra aller dans la quête d’un ordinateur quantique avec cette technique mais, rien que du point de vue de la physique des solides, cette manipulation fine du spin de certains noyaux, via des électrons, est déjà une belle réussite.