Après des décennies de miniaturisation, les composants électroniques sur lesquels nous comptons pour les ordinateurs et les technologies modernes commencent maintenant à atteindre des limites fondamentales. Face à ce défi, les ingénieurs et les scientifiques du monde entier se tournent vers un paradigme radicalement nouveau :les technologies de l'information quantique.

Technologie quantique, qui exploite les règles étranges qui régissent les particules au niveau atomique, est normalement considéré comme trop délicat pour coexister avec l'électronique que nous utilisons tous les jours dans les téléphones, ordinateurs portables et voitures. Cependant, Des scientifiques de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago ont annoncé une percée importante :les états quantiques peuvent être intégrés et contrôlés dans des dispositifs électroniques couramment utilisés en carbure de silicium.

« La capacité de créer et de contrôler des bits quantiques haute performance dans l'électronique commerciale a été une surprise, " a déclaré l'enquêteur principal David Awschalom, le professeur de la famille Liew en ingénierie moléculaire à UChicago et un pionnier de la technologie quantique. "Ces découvertes ont changé notre façon de penser le développement des technologies quantiques - peut-être pouvons-nous trouver un moyen d'utiliser l'électronique d'aujourd'hui pour construire des dispositifs quantiques."

Dans deux articles publiés dans Science et Avancées scientifiques , Le groupe d'Awschalom a démontré qu'il pouvait contrôler électriquement des états quantiques intégrés dans du carbure de silicium. Cette percée pourrait offrir un moyen de concevoir et de construire plus facilement de l'électronique quantique, contrairement à l'utilisation de matériaux exotiques que les scientifiques ont généralement besoin d'utiliser pour les expériences quantiques, comme les métaux supraconducteurs, des atomes ou des diamants en lévitation.

Ces états quantiques dans le carbure de silicium ont l'avantage supplémentaire d'émettre des particules uniques de lumière avec une longueur d'onde proche de la bande des télécommunications. « Cela les rend bien adaptés à la transmission longue distance via le même réseau de fibre optique qui transporte déjà 90 % de toutes les données internationales dans le monde, " dit Awschalom, scientifique principal au Laboratoire national d'Argonne et directeur du Chicago Quantum Exchange.

De plus, ces particules légères peuvent acquérir de nouvelles propriétés intéressantes lorsqu'elles sont combinées avec l'électronique existante. Par exemple, dans le document Science Advances, l'équipe a pu créer ce qu'Awschalom a appelé une « radio FM quantique »; de la même manière que la musique est transmise à votre autoradio, l'information quantique peut être envoyée sur des distances extrêmement longues.

"Toute la théorie suggère que pour obtenir un bon contrôle quantique dans un matériau, il doit être pur et exempt de champs fluctuants, " a déclaré Kevin Miao, étudiant diplômé, premier auteur sur le papier. "Nos résultats suggèrent qu'avec une conception appropriée, un appareil peut non seulement atténuer ces impuretés, mais aussi créer des formes de contrôle supplémentaires qui n'étaient pas possibles auparavant."

Dans l'article de Science, ils décrivent une deuxième percée qui aborde un problème très courant dans la technologie quantique :le bruit.

« Les impuretés sont courantes dans tous les dispositifs à semi-conducteurs, et au niveau quantique, ces impuretés peuvent brouiller l'information quantique en créant un environnement électrique bruyant, " a déclaré l'étudiant diplômé Chris Anderson, un co-premier auteur sur le papier. "C'est un problème quasi universel pour les technologies quantiques."

Mais, en utilisant l'un des éléments de base de l'électronique - la diode, un commutateur unidirectionnel pour les électrons - l'équipe a découvert un autre résultat inattendu :le signal quantique est soudainement devenu exempt de bruit et était presque parfaitement stable.

"Dans nos expériences, nous devons utiliser des lasers, qui malheureusement bousculent les électrons alentour. C'est comme un jeu de chaises musicales avec des électrons; quand la lumière s'éteint tout s'arrête, mais dans une configuration différente, " a déclaré l'étudiant diplômé Alexandre Bourassa, l'autre co-premier auteur de l'article. "Le problème est que cette configuration aléatoire d'électrons affecte notre état quantique. Mais nous avons découvert que l'application de champs électriques supprime les électrons du système et le rend beaucoup plus stable."

En intégrant l'étrange physique de la mécanique quantique à une technologie semi-conductrice classique bien développée, Awschalom et son groupe ouvrent la voie à la prochaine révolution de la technologie quantique.

"Ce travail nous rapproche un peu plus de la réalisation de systèmes capables de stocker et de distribuer des informations quantiques à travers les réseaux de fibre optique du monde, " Awschalom a déclaré. "De tels réseaux quantiques apporteraient une nouvelle classe de technologies permettant la création de canaux de communication non piratables, la téléportation d'états électroniques uniques et la réalisation d'un Internet quantique."