Les recherches de John Nichol rapprochent les scientifiques de la création d'un ordinateur quantique entièrement fonctionnel, un type d'ordinateur qui fonctionne sur les principes de la mécanique quantique. Vu ici, une puce semi-conductrice de processeur quantique est connectée à une carte de circuit imprimé. Des fils d'aluminium minces sont connectés de la surface de la puce semi-conductrice aux plots de la carte de circuit imprimé, qui permet aux utilisateurs d'effectuer un contrôle électrique et des lectures de l'appareil en envoyant et en recevant des signaux électriques pendant les expériences. Les chercheurs fabriquent le dispositif en modelant et en déposant des grilles métalliques sur une puce à hétérostructure GaAs/AlGaAs. Les grilles métalliques sont conçues pour pouvoir piéger des électrons individuels dans le semi-conducteur. Ils envoient des signaux électriques à l'appareil et modifient la tension sur les grilles métalliques pour effectuer divers contrôles des électrons. Ils reçoivent également des signaux électriques de l'appareil pour aider à surveiller le comportement des électrons. Crédit :Université de Rochester / J. Adam Fenster
L'informatique quantique a le potentiel de révolutionner la technologie, Médicament, et la science en fournissant des processeurs plus rapides et plus efficaces, capteurs, et appareils de communication.
Mais le transfert d'informations et la correction des erreurs au sein d'un système quantique restent un défi pour la fabrication d'ordinateurs quantiques efficaces.
Dans un article de la revue La nature , des chercheurs de l'Université Purdue et de l'Université de Rochester, dont John Nichol, professeur assistant de physique, et Rochester Ph.D. étudiants Yadav P. Kandel et Haifeng Qiao, démontrer leur méthode de relayer l'information en transférant l'état des électrons. La recherche rapproche les scientifiques de la création d'ordinateurs quantiques entièrement fonctionnels et constitue le dernier exemple de l'initiative de Rochester visant à mieux comprendre le comportement quantique et à développer de nouveaux systèmes quantiques. L'Université a récemment reçu une subvention de 4 millions de dollars du Département de l'énergie pour explorer les matériaux quantiques.
Ordinateurs quantiques
Un ordinateur quantique fonctionne sur les principes de la mécanique quantique, un ensemble unique de règles qui régissent à l'échelle extrêmement petite des atomes et des particules subatomiques. Lorsqu'il s'agit de particules à ces échelles, de nombreuses règles qui régissent la physique classique ne s'appliquent plus et des effets quantiques apparaissent; un ordinateur quantique est capable d'effectuer des calculs complexes, factoriser des nombres extrêmement grands, et simuler les comportements des atomes et des particules à des niveaux que les ordinateurs classiques ne peuvent pas.
Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de fournir plus d'informations sur les principes de la physique et de la chimie en simulant le comportement de la matière dans des conditions inhabituelles au niveau moléculaire. Ces simulations pourraient être utiles pour développer de nouvelles sources d'énergie et étudier les conditions des planètes et des galaxies ou comparer des composés qui pourraient conduire à de nouvelles thérapies médicamenteuses.
"Vous et moi sommes des systèmes quantiques. Les particules de notre corps obéissent à la physique quantique. Mais, si vous essayez de calculer ce qui se passe avec tous les atomes de notre corps, vous ne pouvez pas le faire sur un ordinateur ordinaire, " Nichol dit. " Un ordinateur quantique pourrait facilement faire cela. "
Les ordinateurs quantiques pourraient également ouvrir des portes pour des recherches plus rapides dans les bases de données et la cryptographie.
"Il s'avère que la quasi-totalité de la cryptographie moderne est basée sur l'extrême difficulté pour les ordinateurs ordinaires de factoriser de grands nombres, " dit Nichol. " Les ordinateurs quantiques peuvent facilement factoriser de grands nombres et casser les schémas de cryptage, vous pouvez donc imaginer pourquoi de nombreux gouvernements s'intéressent à cela. »
Bits contre qubits
Un ordinateur ordinaire se compose de milliards de transistors, appelés bits. Ordinateurs quantiques, d'autre part, sont basés sur des bits quantiques, également appelés qubits, qui peut être fabriqué à partir d'un seul électron. Contrairement aux transistors ordinaires, qui peut être "0" ou "1, " les qubits peuvent être à la fois " 0 " et " 1 ". La capacité des qubits individuels à occuper ces " états de superposition, " où ils sont simultanément dans plusieurs états, sous-tend le grand potentiel des ordinateurs quantiques. Tout comme les ordinateurs ordinaires, cependant, les ordinateurs quantiques ont besoin d'un moyen de transférer des informations entre les qubits, et cela représente un défi expérimental majeur.
"Un ordinateur quantique doit avoir de nombreux qubits, et ils sont vraiment difficiles à fabriquer et à utiliser, " Nichol dit. " L'état de l'art en ce moment fait quelque chose avec seulement quelques qubits, nous sommes donc encore loin de réaliser le plein potentiel des ordinateurs quantiques."
Tous les ordinateurs, y compris les ordinateurs et appareils ordinaires et quantiques comme les téléphones intelligents, doivent également effectuer une correction d'erreur. Un ordinateur ordinaire contient des copies de bits, donc si l'un des bits se détériore, "les autres vont simplement prendre un vote à la majorité" et corriger l'erreur. Cependant, les bits quantiques ne peuvent pas être copiés, Nichol dit, « vous devez donc être très intelligent sur la façon dont vous corrigez les erreurs. Ce que nous faisons ici est un pas dans cette direction. »
Les recherches de John Nichol rapprochent les scientifiques de la création d'un ordinateur quantique entièrement fonctionnel, un type d'ordinateur qui fonctionne sur les principes de la mécanique quantique. Vu ici, une puce semi-conductrice de processeur quantique est connectée à une carte de circuit imprimé. Des fils d'aluminium minces sont connectés de la surface de la puce semi-conductrice aux plots de la carte de circuit imprimé, qui permet aux utilisateurs d'effectuer un contrôle électrique et des lectures de l'appareil en envoyant et en recevant des signaux électriques pendant les expériences. Les chercheurs fabriquent le dispositif en modelant et en déposant des grilles métalliques sur une puce à hétérostructure GaAs/AlGaAs. Les grilles métalliques sont conçues pour pouvoir piéger des électrons individuels dans le semi-conducteur. Ils envoient des signaux électriques à l'appareil et modifient la tension sur les grilles métalliques pour effectuer divers contrôles des électrons. Ils reçoivent également des signaux électriques de l'appareil pour aider à surveiller le comportement des électrons. Crédit :Université de Rochester / J. Adam Fenster
Manipuler des électrons
La correction d'erreur quantique nécessite que les qubits individuels interagissent avec de nombreux autres qubits. Cela peut être difficile car un électron individuel est comme un barreau magnétique avec un pôle nord et un pôle sud qui peuvent pointer vers le haut ou vers le bas. La direction du pôle, que le pôle nord pointe vers le haut ou vers le bas, par exemple, est connu comme le moment magnétique de l'électron ou l'état quantique.
Si certains types de particules ont le même moment magnétique, ils ne peuvent pas être au même endroit en même temps. C'est-à-dire, deux électrons dans le même état quantique ne peuvent pas s'asseoir l'un sur l'autre.
"C'est l'une des principales raisons pour lesquelles quelque chose comme un centime, qui est fait de métal, ne s'effondre pas sur lui-même, " dit Nichol. " Les électrons se séparent parce qu'ils ne peuvent pas être au même endroit en même temps. "
Si deux électrons sont dans des états opposés, ils peuvent s'asseoir les uns sur les autres. Une conséquence surprenante de ceci est que si les électrons sont assez proches, leurs états s'échangeront dans le temps.
"Si vous avez un électron qui est en haut et un autre qui est en bas et que vous les poussez ensemble pendant juste le temps qu'il faut, ils vont échanger, " Nichol dit. " Ils n'ont pas changé de place, mais leurs états ont changé.
Pour forcer ce phénomène, Nichol et ses collègues ont refroidi une puce semi-conductrice à des températures extrêmement basses. À l'aide de points quantiques, des semi-conducteurs à l'échelle nanométrique, ils ont piégé quatre électrons d'affilée, puis déplacé les électrons afin qu'ils soient entrés en contact et leurs états ont changé.
"Il existe un moyen simple de changer l'état entre deux électrons voisins, mais le faire sur de longues distances - dans notre cas, c'est quatre électrons-exige beaucoup de contrôle et de compétences techniques, " Nichol dit. "Nos recherches montrent que c'est maintenant une approche viable pour envoyer des informations sur de longues distances."
Un premier pas
Transmettre l'état d'un électron dans les deux sens à travers un réseau de qubits, sans déplacer la position des électrons, fournit un exemple frappant des possibilités offertes par la physique quantique pour les sciences de l'information.
"Cette expérience démontre que les informations dans les états quantiques peuvent être transférées sans réellement transférer les spins individuels des électrons le long de la chaîne, " dit Michael Manfra, professeur de physique et d'astronomie à l'Université Purdue. "C'est une étape importante pour montrer comment l'information peut être transmise de manière quantique, de manières tout à fait différentes de ce que notre intuition classique nous amènerait à croire."
Nichol compare cela aux étapes qui ont conduit des premiers appareils informatiques aux ordinateurs d'aujourd'hui. Cela dit, Aurons-nous tous un jour des ordinateurs quantiques pour remplacer nos ordinateurs de bureau ? "Si vous aviez posé cette question à IBM dans les années 60, ils auraient probablement dit non, il n'y a aucun moyen que cela se produise, " Nichol dit. " C'est ma réaction maintenant. Mais, qui sait?"
