L'informatique quantique exploite les propriétés énigmatiques de petites particules pour traiter des informations complexes. Mais les systèmes quantiques sont fragiles et sujets aux erreurs, et les ordinateurs quantiques utiles n'ont pas encore abouti.

Des chercheurs de l'unité de dynamique quantique de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont mis au point une nouvelle méthode, appelée détection de charge d'image, pour détecter les transitions des électrons vers les états quantiques. Les électrons peuvent servir de bits quantiques, la plus petite unité d'information quantique; ces bits sont fondamentaux pour les systèmes de calcul plus grands. Les ordinateurs quantiques peuvent être utilisés pour comprendre le mécanisme de la supraconductivité, cryptographie, intelligence artificielle, entre autres applications.

"Il y a un énorme fossé entre contrôler quelques bits quantiques et construire un ordinateur quantique, " a déclaré le Dr Erika Kawakami, l'auteur principal d'une nouvelle étude, Publié dans Lettres d'examen physique avec la suggestion de l'éditeur. "Avec les bits quantiques de pointe actuels, un ordinateur quantique devrait avoir la taille d'un terrain de football. Notre nouvelle approche pourrait potentiellement créer une puce de dix centimètres."

Un nouveau potentiel pour les électrons sur l'hélium

Les électrons doivent être immobilisés pour servir de bits quantiques; sinon ils se déplacent librement. Pour créer un système de capture d'électrons, les chercheurs ont utilisé de l'hélium liquide, qui se liquéfie à froid, comme substrat. Puisque l'hélium est exempt d'impuretés, on s'attend à ce que ces électrons conservent des états quantiques plus longtemps que dans tout autre matériau, ce qui est important pour réaliser un ordinateur quantique.

Pr Denis Konstantinov et ses collaborateurs, Kawakami et le Dr Asem Elarabi, placé un condensateur à plaques parallèles à l'intérieur d'une cellule en cuivre refroidie à 0,2 degrés Kelvin (-272,8 degrés Celsius) et remplie d'hélium liquide condensé. Les électrons générés par un filament de tungstène se trouvaient au sommet de la surface de l'hélium liquide, entre les deux plaques de condensateur. Puis, le rayonnement micro-ondes introduit dans les états quantiques des électrons excités de la cellule de cuivre, amenant les électrons à s'éloigner de la plaque de condensateur inférieure et à se rapprocher de la plaque de condensateur supérieure.

Les chercheurs ont confirmé l'excitation des états quantiques en observant un phénomène électrostatique appelé charge d'image. Comme un reflet dans un miroir, la charge de l'image reflète précisément le mouvement des électrons. Si un électron s'éloigne de la plaque du condensateur, puis la charge d'image se déplace à côté d'elle.

Avancer, les chercheurs espèrent utiliser cette détection de charge d'image pour mesurer l'état de spin d'un électron individuel, ou état orbital quantique, sans perturber l'intégrité des systèmes quantiques.

"Actuellement, nous pouvons détecter les états quantiques d'un ensemble de nombreux électrons, " a déclaré Konstantinov. " Le point fort de cette nouvelle méthode est que nous pouvons réduire cette technique à un seul électron et l'utiliser comme un bit quantique. "