Des qubits stationnaires aux qubits volants à des vitesses jamais atteintes auparavant…. Cet exploit, réalisé par une équipe de Polytechnique Montréal et du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), nous rapproche un peu plus de l'ère où l'information est transmise via les principes quantiques.
Un article intitulé "High-Fidelity and Ultrafast Initialization of a Hole-Spin Bound to a Te Isoelectronic Center in ZnSe" a récemment été publié dans la prestigieuse revue Lettres d'examen physique . La création d'un qubit en séléniure de zinc, un matériau semi-conducteur bien connu, a permis de réaliser une interface entre la physique quantique qui régit le comportement de la matière à l'échelle nanométrique et le transfert d'informations à la vitesse de la lumière, ouvrant ainsi la voie à la production de réseaux de communications quantiques.
Physique classique vs physique quantique
Dans les ordinateurs d'aujourd'hui, règles de physique classique. Des milliards d'électrons travaillent ensemble pour constituer un bit d'information :0, les électrons sont absents et 1, des électrons sont présents. En physique quantique, les électrons simples sont plutôt préférés car ils expriment un attribut étonnant :l'électron peut prendre la valeur 0, 1 ou toute superposition de ces deux états. C'est le qubit, l'équivalent quantique du bit classique. Les qubits offrent des possibilités étonnantes aux chercheurs.
Un électron tourne sur lui-même, un peu comme une toupie. C'est le tour. En appliquant un champ magnétique, cette rotation pointe vers le haut, vers le bas, ou pointe simultanément vers le haut et vers le bas pour former un qubit. Mieux encore, au lieu d'utiliser un électron, on peut utiliser l'absence d'électron; c'est ce que les physiciens appellent un "trou". Comme son cousin électronique, le trou a une rotation à partir de laquelle un qubit peut être formé. Les qubits sont des créatures quantiques intrinsèquement fragiles, ils ont donc besoin d'un environnement particulier.
Séléniure de zinc, impuretés telluriques :une première mondiale
Séléniure de zinc, ou ZnSe, est un cristal dans lequel les atomes sont précisément organisés. C'est aussi un semi-conducteur dans lequel il est facile d'introduire intentionnellement des impuretés de tellure, un proche parent du sélénium dans le tableau périodique, sur lesquels des trous sont piégés, un peu comme des bulles d'air dans un verre.
Cet environnement protège la rotation du trou – notre qubit – et aide à maintenir ses informations quantiques avec précision pendant de plus longues périodes; c'est le temps de cohérence, le temps que les physiciens du monde entier essaient de prolonger par tous les moyens possibles. Le choix du séléniure de zinc est judicieux, car il peut fournir l'environnement le plus silencieux de tous les matériaux semi-conducteurs.
Philippe St-Jean, doctorant dans l'équipe du professeur Sébastien Francoeur, utilise des photons générés par un laser pour initialiser le trou et y enregistrer des informations quantiques. Pour le lire, il excite à nouveau le trou avec un laser puis récupère les photons émis. Le résultat est un transfert quantique d'informations entre le qubit stationnaire, codée dans le spin du trou prisonnier du cristal, et le qubit volant - le photon, qui bien sûr voyage à la vitesse de la lumière.
Cette nouvelle technique montre qu'il est possible de créer un qubit plus rapidement qu'avec toutes les méthodes utilisées jusqu'à présent. En effet, à peine une centaine de picosecondes, ou moins d'un milliardième de seconde, suffisent pour passer d'un qubit volant à un qubit statique, et vice versa.
Bien que cette réalisation soit de bon augure, il reste encore beaucoup de travail à faire avant qu'un réseau quantique puisse être utilisé pour effectuer des transactions bancaires inconditionnellement sécurisées ou construire un ordinateur quantique capable d'effectuer les calculs les plus complexes. C'est la lourde tâche à laquelle l'équipe de recherche de Sébastien Francoeur continuera de s'atteler.
