Ordinateurs quantiques, qui fonctionnent selon les étranges règles de la mécanique quantique, peut un jour révolutionner le monde. Une fois que nous avons réussi à construire une machine de travail puissante, il sera capable de résoudre certains problèmes que les ordinateurs d'aujourd'hui prennent des millions d'années à calculer.

Les ordinateurs utilisent des bits (zéro ou un) pour coder les informations. Les ordinateurs quantiques utilisent des "qubits", qui peuvent prendre n'importe quelle valeur entre zéro et un, ce qui leur confère une puissance de traitement énorme. Mais les systèmes quantiques sont notoirement fragiles, et bien que des progrès aient été réalisés pour construire des machines de travail pour certaines applications proposées, la tâche reste difficile. Mais une nouvelle approche, appelée spintronique moléculaire, offre un nouvel espoir.

En 1997, les physiciens théoriciens Daniel Loss et David DiVincenzo ont établi les règles générales nécessaires à la création d'un ordinateur quantique. Alors que les appareils électroniques normaux utilisent une charge électrique pour représenter les informations sous forme de zéros et de uns, les ordinateurs quantiques utilisent souvent des états de "spin" d'électrons pour représenter les qubits.

Le spin est une quantité fondamentale que nous avons apprise grâce à la mécanique quantique. Malheureusement, il manque une contrepartie précise dans l'expérience quotidienne, même si une analogie d'une planète tournant sur son propre axe est parfois utilisée.

Nous savons que les électrons tournent dans deux directions ou "états" différents (appelés haut et bas). Selon la mécanique quantique, chaque électron dans un matériau tourne dans une combinaison (superposition) de ces états - un certain bit vers le haut et un certain bit vers le bas. C'est ainsi que vous pouvez obtenir autant de valeurs plutôt que zéro ou un.

Parmi les cinq exigences pour la construction d'un ordinateur quantique développé par Loss et DiVincenzo, figurait la possibilité de faire évoluer le système. Plus de qubits signifie plus de puissance. Un autre consistait à faire survivre l'information pendant une durée raisonnable une fois encodée, tandis que d'autres concernaient l'initialisation, manipulation et lecture du système physique.

Bien que conçu à l'origine pour un ordinateur quantique basé sur les spins des électrons dans de minuscules particules de semi-conducteurs, la proposition a maintenant été mise en œuvre sur de nombreux systèmes physiques, y compris les ions piégés, supraconducteurs et diamants.

Mais, Malheureusement, ceux-ci nécessitent un vide quasi parfait, températures extrêmement basses et aucune perturbation pour fonctionner. Ils sont également difficiles à étendre.

Spintronique moléculaire

La spintronique est une forme d'électronique basée sur le spin plutôt que sur la charge. Le spin peut être mesuré car il génère de minuscules champs magnétiques. Cette technologie, qui utilise souvent des semi-conducteurs pour manipuler et mesurer le spin, a déjà eu un impact énorme sur l'amélioration du stockage des informations sur le disque dur.

Maintenant, les scientifiques se rendent compte que la spintronique peut également être réalisée dans des molécules organiques contenant des anneaux d'atomes de carbone. Et cela le relie à un tout autre domaine de recherche appelé l'électronique moléculaire, qui vise à construire des appareils électroniques à partir de molécules uniques et de films de molécules.

La combinaison s'est avérée utile. En contrôlant et en manipulant soigneusement le spin d'un électron dans une molécule, il s'avère que nous pouvons réellement faire des calculs quantiques. La préparation et la lecture de l'état de spin de l'électron sur les molécules se font en les zappant avec des champs électriques ou magnétiques.

Les molécules organiques à base de carbone et les semi-conducteurs polymères répondent également aux critères de facilité de mise à l'échelle. Ils le font grâce à une capacité à former des cadres moléculaires, dans lequel les qubits moléculaires se trouvent à proximité les uns des autres. La petite taille d'une seule molécule favorise automatiquement le regroupement d'un grand nombre d'entre elles sur une petite puce.

En outre, les matériaux organiques perturbent moins les spins quantiques que les autres matériaux électroniques. C'est parce qu'ils sont composés d'éléments relativement légers tels que le carbone et l'hydrogène, résultant en des interactions plus faibles avec les électrons en rotation. Cela évite à ses spins de basculer facilement, les amenant à être conservés pendant de longues périodes allant jusqu'à plusieurs microsecondes.

Dans une molécule en forme d'hélice, cette durée peut même aller jusqu'à une milliseconde. Ces temps relativement longs suffisent pour effectuer les opérations, autre grand avantage.

Défis restants

Mais nous avons encore beaucoup à apprendre. En plus de comprendre ce qui cause des durées de vie de spin prolongées sur les molécules organiques, une compréhension de la distance que ces spins peuvent parcourir dans les circuits organiques est nécessaire pour construire des circuits électroniques efficaces basés sur les spins. La figure ci-dessous montre certains de nos concepts pour les dispositifs spintroniques organiques exploratoires vers cet objectif.

Il existe également des défis majeurs pour que ces appareils fonctionnent efficacement. Les électrons chargés qui transportent des spins dans un matériau organique sautent constamment de molécule en molécule lorsqu'ils se déplacent. Cette activité de saut est malheureusement source de bruit électrique, rendant difficile la mesure électrique de petites signatures de courant de spin en utilisant des architectures conventionnelles. Cela dit, une technique relativement nouvelle connue sous le nom de pompage de spin pourrait s'avérer appropriée pour générer des courants de spin à faible bruit dans les matériaux organiques.

Un autre problème lorsque l'on essaie de faire des molécules organiques des candidats sérieux dans les futures technologies quantiques est la capacité de contrôler et de mesurer de manière cohérente les spins sur des molécules uniques, ou sur un petit nombre de molécules. Ce grand défi connaît actuellement d'énormes progrès. Par exemple, un programme simple pour un ordinateur quantique connu sous le nom d'« algorithme de recherche de Grover » a récemment été mis en œuvre sur une seule molécule magnétique. Cet algorithme est connu pour réduire considérablement le temps nécessaire pour effectuer une recherche sur une base de données non triée.

Dans un autre rapport, un ensemble de molécules a été intégré avec succès dans un dispositif supraconducteur hybride. Il a fourni une preuve de concept en combinant des qubits de spin moléculaire avec des architectures quantiques existantes.

Il reste beaucoup à faire, mais dans l'état actuel des choses, les systèmes de spin moléculaire trouvent rapidement plusieurs nouvelles applications dans les technologies quantiques. Avec l'avantage des tours de petite taille et de longue durée, ce n'est qu'une question de temps avant qu'ils ne consolident leur place dans la feuille de route des technologies quantiques.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.