Une illustration montrant les états de pseudospin « haut » et « bas », une impulsion lumineuse et le paysage énergétique vallonné vécu par les électrons. Crédit :Stefan Schlauderer, Université de Ratisbonne
Une technique pour manipuler les électrons avec la lumière pourrait amener l'informatique quantique à température ambiante.
Une équipe de chercheurs en Allemagne et à l'Université du Michigan a démontré comment les impulsions laser infrarouges peuvent déplacer des électrons entre deux états différents, les classiques 1 et 0, dans une fine feuille de semi-conducteur.
"L'électronique ordinaire est de l'ordre du gigahertz, un milliard d'opérations par seconde. Cette méthode est un million de fois plus rapide, " dit Mackillo Kira, U-M professeur de génie électrique et d'informatique.
Il a dirigé la partie théorique de l'étude, à paraître dans la revue La nature , collaboration avec des physiciens de l'Université de Marburg en Allemagne. L'expérience a été réalisée à l'Université de Ratisbonne en Allemagne.
L'informatique quantique pourrait résoudre des problèmes qui prennent trop de temps sur les ordinateurs conventionnels, faire progresser des domaines tels que l'intelligence artificielle, prévisions météorologiques et conception de médicaments. Les ordinateurs quantiques tirent leur puissance de la façon dont leurs bits de mécanique quantique, ou qubits, ne sont pas simplement des 1 ou des 0, mais ils peuvent être des mélanges — appelés superpositions — de ces états.
"Dans un ordinateur classique, chaque configuration de bit doit être stockée et traitée un par un tandis qu'un ensemble de qubits peut idéalement stocker et traiter toutes les configurations en une seule exécution, " dit Kira.
Cela signifie que lorsque vous souhaitez examiner un ensemble de solutions possibles à un problème et trouver la meilleure solution, l'informatique quantique peut vous y amener beaucoup plus rapidement.
Mais les qubits sont difficiles à faire car les états quantiques sont extrêmement fragiles. La principale voie commerciale, poursuivis par des sociétés telles qu'Intel, IBM, Microsoft et D-Wave, utilise des circuits supraconducteurs - des boucles de fil refroidies à des températures extrêmement froides (-321 ° F ou moins), auquel les électrons cessent de se heurter les uns aux autres et forment à la place des états quantiques partagés grâce à un phénomène connu sous le nom de cohérence.
Plutôt que de trouver un moyen de s'accrocher à un état quantique pendant longtemps, la nouvelle étude démontre un moyen de faire le traitement avant que les États ne s'effondrent.
"À long terme, nous voyons une chance réaliste d'introduire des dispositifs d'information quantique qui effectuent des opérations plus rapidement qu'une seule oscillation d'une onde lumineuse, " a déclaré Rupert Huber, professeur de physique à l'Université de Ratisbonne, qui a mené l'expérience. "Le matériau est relativement facile à réaliser, il fonctionne dans l'air à température ambiante, et à seulement quelques atomes d'épaisseur, il est au maximum compact."
Le matériau est une seule couche de tungstène et de sélénium dans un réseau en nid d'abeille. Cette structure produit une paire d'états électroniques appelés pseudospins. Ce n'est pas le spin de l'électron (et même alors, les physiciens avertissent que les électrons ne tournent pas réellement), mais c'est une sorte de moment angulaire. Ces deux pseudospins peuvent coder le 1 et le 0.
Le rendu d'un artiste d'une impulsion de lumière polarisée circulairement frappant un semi-conducteur 2-D, mettre les électrons dans un état pseudo-spin qui pourrait stocker des informations dans le cadre d'un nouveau, technologie informatique plus rapide. Crédit :Stephen Alvey, Ingénierie du Michigan
L'équipe de Huber a poussé des électrons dans ces états avec des impulsions rapides de lumière infrarouge, d'une durée de quelques femtosecondes (quintillionièmes de seconde). L'impulsion initiale a son propre spin, dite polarisation circulaire, qui envoie des électrons dans un état de pseudospin. Puis, des impulsions de lumière qui n'ont pas de spin (polarisation linéaire) peuvent pousser les électrons d'un pseudospin à l'autre, et inversement.
En traitant ces états comme ordinaires 1 et 0, il pourrait être possible de créer un nouveau type d'ordinateur "à ondes lumineuses" avec les vitesses d'horloge un million de fois plus rapides mentionnées par Kira. Le premier défi le long de cette route sera d'utiliser un train d'impulsions laser pour « retourner » les pseudospins à volonté.
Mais les électrons peuvent aussi former des états de superposition entre les deux pseudospins. Avec une série d'impulsions, il devrait être possible d'effectuer des calculs jusqu'à ce que les électrons sortent de leur état cohérent. L'équipe a montré qu'elle pouvait inverser un qubit assez rapidement pour exécuter une série d'opérations. c'est assez rapide pour fonctionner dans un processeur quantique.
De plus, les électrons envoient constamment de la lumière qui permet de lire facilement un qubit sans perturber son état quantique délicat. La polarisation circulaire dans le sens horaire indique un état de pseudospin, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre l'autre.
Les prochaines étapes vers l'informatique quantique consisteront à faire fonctionner deux qubits à la fois, suffisamment proches les uns des autres pour qu'ils interagissent. Cela pourrait impliquer d'empiler les feuilles plates de semi-conducteur ou d'utiliser des techniques de nanostructuration pour clôturer les qubits dans une seule feuille, par exemple.
