L'électronique repose sur le mouvement d'électrons chargés négativement. Les physiciens s'efforcent de comprendre les forces qui poussent ces particules en mouvement, dans le but d'exploiter leur puissance dans les nouvelles technologies. Ordinateurs quantiques, par exemple, utiliser une flotte d'électrons contrôlés avec précision pour effectuer des tâches de calcul goliath. Récemment, des chercheurs de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont démontré comment les micro-ondes interfèrent avec les mouvements des électrons. Les résultats pourraient contribuer à la future technologie de l'informatique quantique.

Les opérations logiques des ordinateurs normaux sont basées sur des zéros et des uns, et ce code binaire limite le volume et le type d'informations que les machines peuvent traiter. Les particules subatomiques peuvent exister dans plus de deux états discrets, les ordinateurs quantiques exploitent donc les électrons pour analyser des données complexes et exécuter des fonctions à une vitesse folle. Pour garder les électrons dans les limbes pour les expériences, les scientifiques capturent les particules et les exposent à des forces qui modifient leur comportement.

Dans la nouvelle étude, publié le 18 décembre 2018 en Examen physique B , Des chercheurs de l'OIST ont piégé des électrons dans un chambre scellée sous vide et les a soumis à des micro-ondes. Les particules et la lumière ont modifié le mouvement de l'autre et échangé de l'énergie, ce qui suggère que le système scellé pourrait potentiellement être utilisé pour stocker des informations quantiques – une puce du futur.

« C'est un petit pas vers un projet qui nécessite beaucoup plus de recherche :créer de nouveaux états d'électrons dans le but de l'informatique quantique et de stocker des informations quantiques, " a déclaré Jiabao Chen, premier auteur de l'article et étudiant diplômé de l'Unité de Dynamique Quantique de l'OIST, dirigé par le Pr Denis Konstantinov.

Envoi d'électrons en rotation

Léger, composé de rapide, les champs électriques et magnétiques oscillants peuvent déplacer la matière chargée qu'il rencontre dans l'environnement. Si la lumière vibre à la même fréquence que les électrons qu'elle rencontre, la lumière et les particules peuvent échanger de l'énergie et des informations. Lorsque cela se produit, le mouvement de la lumière et des électrons est "couplé". Si l'échange d'énergie se produit plus rapidement que d'autres interactions lumière-matière dans l'environnement, le mouvement est "fortement couplé". Ici, les scientifiques ont entrepris d'atteindre un état fortement couplé à l'aide de micro-ondes.

"La réalisation d'un couplage fort est une étape importante vers le contrôle mécanique quantique des particules utilisant la lumière, ", a déclaré Chen. "Cela peut être important si nous voulons générer un état de la matière non classique."

Pour observer clairement un couplage fort, il aide à isoler les électrons des bruits trompeurs dans leur environnement, qui survient lorsque des électrons entrent en collision avec de la matière proche ou interagissent avec la chaleur. Les scientifiques ont étudié l'impact des micro-ondes sur les électrons dans les interfaces semi-conductrices dans lesquelles un semi-conducteur rencontre un isolant, confinant ainsi le mouvement des électrons à un seul plan. Mais les semi-conducteurs contiennent des impuretés qui entravent le mouvement naturel des électrons.

Aucun matériau n'est totalement exempt de défauts, L'unité de dynamique quantique opte donc pour une solution alternative :isoler leurs électrons dans des chambres froides scellées sous vide équipées de deux miroirs métalliques qui réfléchissent les micro-ondes.

Les chambres, petits récipients cylindriques appelés alvéoles, contiennent chacun un pool d'hélium liquide maintenu à une température proche du zéro absolu. L'hélium reste liquide à cette température extrême, mais toutes les impuretés flottant à l'intérieur de la substance gèlent et s'accrochent aux parois de la cellule. Les électrons se fixent à la surface de l'hélium, formant efficacement une feuille bidimensionnelle. Les chercheurs peuvent alors exposer les électrons en attente à un rayonnement électromagnétique, comme les micro-ondes, en capturant la lumière entre les deux miroirs à l'intérieur de la cellule.

Ce système relativement simple a révélé l'influence des micro-ondes sur la rotation des électrons, un effet qui avait été invisible dans les semi-conducteurs.

« Dans notre installation, nous pouvons déterminer plus clairement le cours des phénomènes physiques, " a déclaré le Dr Oleksiy Zadorozhko, un auteur sur le papier et chercheur postdoctoral dans l'unité de dynamique quantique. "Nous avons découvert que les micro-ondes avaient une influence significative sur le mouvement des électrons."

Mise sous tension de l'informatique quantique

Les physiciens ont décrit mathématiquement leurs découvertes et ont constaté que les fluctuations de la vitesse, l'emplacement ou la charge globale des électrons individuels avait peu d'influence sur les effets de couplage forts. Au lieu, le mouvement moyen des particules et des micro-ondes, en masse, a semblé déclencher un échange d'énergie et d'information entre eux.

Les chercheurs espèrent qu'à l'avenir, le système d'hélium liquide leur assurera un contrôle précis des électrons, leur permettant ainsi de lire, écrire et traiter des informations quantiques de la même manière que nous stockons des données standard sur un disque dur. Avec une meilleure compréhension de ce système, l'unité de dynamique quantique vise à améliorer la norme de l'industrie pour les qubits – des bits d'information quantique. Leurs efforts peuvent conduire au développement de technologies quantiques plus puissantes.