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    Mieux comprendre le monde quantique avec les points quantiques

    Image micrographique d'une puce quantique à semi-conducteur avec visualisation du réseau ci-dessus. En appliquant des tensions sur des "grilles" (lignes blanches), les électrons (sphères rouges et bleues) peuvent être capturés dans des points quantiques. Le paysage potentiel (onde blanche) détermine les emplacements où les électrons sont capturés. (Crédit :graphique de E. Edwards/JQI, micrographie avec l'aimable autorisation des auteurs.)

    Le comportement quantique joue un rôle crucial dans les propriétés des matériaux nouveaux et émergents, comme la supraconductivité et le magnétisme. Malheureusement, il est encore impossible de calculer le comportement quantique sous-jacent, encore moins le comprendre pleinement. Les scientifiques de QuTech, le Kavli Institute of Nanoscience à Delft et TNO, en collaboration avec l'ETH Zurich et l'Université du Maryland, ont maintenant réussi à construire un "matériau artificiel" qui imite ce type de comportement quantique à petite échelle. Ce faisant, ils ont jeté les bases de nouvelles connaissances et applications potentielles. Leurs travaux sont publiés aujourd'hui dans La nature .

    Au cours du siècle dernier, une meilleure compréhension des matériaux semi-conducteurs a conduit à de nombreuses améliorations technologiques, comme les puces informatiques devenant de plus en plus rapides et plus petites. Nous sommes, cependant, atteignant progressivement les limites de la loi de Moore, la tendance qui prédit un doublement de la puissance de calcul pour la moitié du prix tous les deux ans. Mais cette prédiction ignore la possibilité que les ordinateurs puissent exploiter la physique quantique.

    "Il y a tellement de physique à découvrir si nous voulons vraiment comprendre les matériaux à la plus petite échelle, " dit Lieven Vandersypen, professeur à la TU Delft aux Pays-Bas et expérimentateur principal sur le nouveau papier. Et cette nouvelle physique devrait apporter encore plus de nouvelles technologies. « La difficulté est que, à cette échelle, la théorie quantique détermine le comportement des électrons et il est pratiquement impossible de calculer ce comportement avec précision, même pour une poignée d'électrons, en utilisant même les supercalculateurs les plus puissants, " dit Vandersypen.

    Les scientifiques combinent maintenant la puissance de l'industrie des semi-conducteurs avec leur connaissance de la technologie quantique afin d'imiter le comportement des électrons dans les matériaux, une technique connue sous le nom de simulation quantique. "J'espère que, dans le futur proche, cela nous permettra d'en apprendre tellement sur les matériaux que nous pourrons ouvrir des portes importantes dans la technologie, comme la conception de supraconducteurs à température ambiante, rendre possible le transport d'énergie sans perte sur de longues distances, par exemple, " dit Vandersypen.

    Imiter la nature

    On sait depuis longtemps que les électrons individuels peuvent être confinés à de petites régions sur une puce, connu sous le nom de points quantiques. Il y a, en principe, adapté à la recherche du comportement et des interactions des électrons dans les matériaux. Les électrons capturés peuvent se déplacer, ou tunnel, entre les points quantiques de manière contrôlée, tandis qu'ils interagissent par la répulsion de leurs charges négatives. "Des processus comme ceux-ci dans les points quantiques, refroidi à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu, sont parfaitement adaptés pour simuler les propriétés électroniques de nouveaux matériaux, " dit Toivo Hensgens, un étudiant diplômé de la TU Delft et l'auteur principal de l'article.

    En pratique, c'est un défi majeur de contrôler les électrons dans les points quantiques de manière si précise que la physique sous-jacente devienne visible. Les imperfections des puces quantiques et les méthodes inefficaces de contrôle des électrons dans les points en ont fait un écrou particulièrement difficile à casser.

    Équipement quantique

    Les chercheurs ont maintenant démontré une méthode à la fois efficace et pouvant être étendue à un plus grand nombre de points quantiques. Le nombre d'électrons dans chaque point quantique peut être réglé de 0 à 4 et la probabilité d'effet tunnel entre les points voisins peut varier de négligeable au point où les points voisins deviennent en réalité un gros point. "Nous utilisons des tensions pour déformer le paysage (potentiel) que les électrons détectent, " explique Hensgens. " Cette tension détermine le nombre d'électrons dans les points et les interactions relatives entre eux. "

    Dans une puce quantique à trois points quantiques, l'équipe QuTech a démontré qu'ils sont capables de simuler expérimentalement une série de processus matériels. Mais le résultat le plus important est la méthode qu'ils ont démontrée. "Nous sommes maintenant facilement en mesure d'ajouter plus de points quantiques avec des électrons et de contrôler le paysage potentiel de manière à pouvoir finalement simuler des processus quantiques très importants et intéressants, " dit Hensgens.

    L'équipe Vandersypen vise à progresser vers plus de points quantiques dès que possible. Pour y parvenir, lui et ses collègues ont entamé une étroite collaboration avec le fabricant de puces Intel. « Leurs connaissances et leur expertise dans la fabrication de semi-conducteurs combinées à notre compréhension approfondie du contrôle quantique offrent des opportunités qui sont désormais prêtes à porter leurs fruits, " il dit.

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