Le développement d'un ordinateur quantique capable de résoudre des problèmes, que les ordinateurs classiques ne peuvent résoudre qu'avec beaucoup d'efforts ou pas du tout, c'est l'objectif actuellement poursuivi par un nombre toujours croissant d'équipes de recherche dans le monde. La raison :les effets quantiques, qui proviennent du monde des plus petites particules et structures, permettre de nombreuses nouvelles applications technologiques. Les supraconducteurs, qui permettent de traiter les informations et les signaux selon les lois de la mécanique quantique, sont considérés comme des composants prometteurs pour la réalisation d'ordinateurs quantiques. Un point de friction des nanostructures supraconductrices, cependant, est qu'ils ne fonctionnent qu'à des températures très basses et sont donc difficiles à mettre en pratique.

Des chercheurs de l'Université de Münster et du Forschungszentrum Jülich maintenant, pour la première fois, a démontré ce que l'on appelle la quantification de l'énergie dans des nanofils constitués de supraconducteurs à haute température—i. e. supraconducteurs, dans laquelle la température est élevée au-dessous de laquelle les effets de la mécanique quantique prédominent. Le nanofil supraconducteur n'assume alors que des états d'énergie sélectionnés qui pourraient être utilisés pour coder des informations. Dans les supraconducteurs à haute température, les chercheurs ont également pu observer pour la première fois l'absorption d'un seul photon, une particule lumineuse qui sert à transmettre des informations.

"D'un côté, nos résultats peuvent contribuer à l'utilisation d'une technologie de refroidissement considérablement simplifiée dans les technologies quantiques à l'avenir, et d'autre part, ils nous offrent un éclairage totalement nouveau sur les processus régissant les états supraconducteurs et leur dynamique, qui ne sont toujours pas compris, " souligne le chef de l'étude Jun. Prof. Carsten Schuck de l'Institut de physique de l'Université de Münster. Les résultats peuvent donc être pertinents pour le développement de nouveaux types de technologie informatique. L'étude a été publiée dans la revue Communication Nature .

Contexte et méthodes :

Les scientifiques ont utilisé des supraconducteurs constitués d'éléments yttrium, baryum, oxyde de cuivre et oxygène, ou YBCO en abrégé, à partir desquels ils ont fabriqué des fils minces de quelques nanomètres. Lorsque ces structures conduisent le courant électrique, une dynamique physique appelée « glissement de phase » se produit. Dans le cas des nanofils YBCO, les fluctuations de la densité des porteurs de charge provoquent des variations du supercourant. Les chercheurs ont étudié les processus dans les nanofils à des températures inférieures à 20 Kelvin, ce qui correspond à moins 253 degrés Celsius. En combinaison avec les calculs du modèle, ils ont démontré une quantification des états d'énergie dans les nanofils. La température à laquelle les fils sont entrés dans l'état quantique a été trouvée entre 12 et 13 Kelvin, une température plusieurs centaines de fois supérieure à la température requise pour les matériaux normalement utilisés. Cela a permis aux scientifiques de produire des résonateurs, c'est-à-dire des systèmes oscillants réglés sur des fréquences spécifiques, avec des durées de vie beaucoup plus longues et de maintenir les états de mécanique quantique plus longtemps. C'est une condition préalable au développement à long terme d'ordinateurs quantiques toujours plus grands.

Absorption d'un photon unique dans les supraconducteurs à haute température

D'autres composants importants pour le développement des technologies quantiques, mais potentiellement aussi pour le diagnostic médical, sont des détecteurs qui peuvent enregistrer même des photons uniques. Le groupe de recherche de Carsten Schuck à l'Université de Münster travaille depuis plusieurs années au développement de tels détecteurs à photon unique basés sur des supraconducteurs. Ce qui fonctionne déjà bien à basse température, les scientifiques du monde entier essaient d'y parvenir avec des supraconducteurs à haute température depuis plus d'une décennie. Dans les nanofils YBCO utilisés pour l'étude, cette tentative a maintenant réussi pour la première fois. "Nos nouvelles découvertes ouvrent la voie à de nouvelles descriptions théoriques vérifiables expérimentalement et à des développements technologiques, " déclare le co-auteur Martin Wolff du groupe de recherche Schuck.