Grâce à leur capacité à exploiter les étranges pouvoirs de la mécanique quantique, Les qubits sont à la base de technologies susceptibles de changer le monde, comme de nouveaux types d'ordinateurs puissants ou des capteurs ultra-précis.

Les qubits (abréviation de bits quantiques) sont souvent constitués des mêmes matériaux semi-conducteurs que notre électronique de tous les jours. Mais une équipe interdisciplinaire de physiciens et de chimistes de l'Université de Chicago et de l'Université Northwestern a développé une nouvelle méthode pour créer des qubits sur mesure :en synthétisant chimiquement des molécules qui codent des informations quantiques dans leur magnétique, ou "tourner, " États.

Cette nouvelle approche ascendante pourrait finalement conduire à des systèmes quantiques dotés d'une flexibilité et d'un contrôle extraordinaires, aider à ouvrir la voie à la technologie quantique de nouvelle génération.

"Il s'agit d'une preuve de concept d'une technologie quantique puissante et évolutive, " a déclaré David Awschalom, le professeur de la famille Liew en génie moléculaire à la Pritzker School of Molecular Engineering (PME), qui a dirigé la recherche avec sa collègue Danna Freedman, professeur de chimie à la Northwestern University. "Nous pouvons exploiter les techniques de conception moléculaire pour créer de nouveaux systèmes à l'échelle atomique pour la science de l'information quantique. Le rapprochement de ces deux communautés élargira l'intérêt et a le potentiel d'améliorer la détection et le calcul quantiques."

Les résultats ont été publiés le 12 novembre dans la revue Science .

Les qubits fonctionnent en exploitant un phénomène appelé superposition. Alors que les bits classiques utilisés par les ordinateurs conventionnels mesurent soit 1 soit 0, un qubit peut être à la fois 1 et 0.

L'équipe souhaitait trouver une nouvelle approche bottom-up pour développer des molécules dont les états de spin peuvent être utilisés comme qubits, et peut être facilement interfacé avec le monde extérieur. Faire cela, ils ont utilisé des molécules de chrome organométalliques pour créer un état de spin qu'ils pouvaient contrôler avec la lumière et les micro-ondes.

En excitant les molécules avec des impulsions laser contrôlées avec précision et en mesurant la lumière émise, ils pourraient "lire" l'état de spin des molécules après avoir été placés dans une superposition - une exigence clé pour les utiliser dans les technologies quantiques

En faisant varier seulement quelques atomes différents sur ces molécules grâce à la chimie de synthèse, ils ont également pu modifier à la fois leurs propriétés optiques et magnétiques, mettant en évidence la promesse de qubits moléculaires sur mesure.

« Au cours des dernières décennies, les spins optiquement adressables dans les semi-conducteurs se sont avérés extrêmement puissants pour des applications telles que la détection à amélioration quantique, " dit Awschalom, qui est également administrateur du Chicago Quantum Exchange et administrateur de Q-NEXT, un Centre national de recherche en sciences de l'information quantique du ministère de l'Énergie dirigé par le Laboratoire national d'Argonne. « Traduire la physique de ces systèmes en une architecture moléculaire ouvre une puissante boîte à outils de chimie synthétique pour permettre de nouvelles fonctionnalités que nous commençons tout juste à explorer. »

"Nos résultats ouvrent un nouveau domaine de la chimie de synthèse. Nous avons démontré que le contrôle synthétique de la symétrie et de la liaison crée des qubits qui peuvent être traités de la même manière que les défauts des semi-conducteurs, " a déclaré Freedman. " Notre approche ascendante permet à la fois la fonctionnalisation d'unités individuelles en tant que " qubits de conception " pour les applications cibles et la création de tableaux d'états quantiques facilement contrôlables, offrant la possibilité de systèmes quantiques évolutifs."

Une application potentielle de ces molécules pourrait être des capteurs quantiques conçus pour cibler des molécules spécifiques. De tels capteurs pourraient trouver des cellules spécifiques dans le corps, détecter quand la nourriture se gâte, ou même repérer des produits chimiques dangereux.

Cette approche ascendante pourrait également aider à intégrer les technologies quantiques aux technologies classiques existantes.

"Certains des défis auxquels sont confrontées les technologies quantiques pourraient être surmontés avec cette approche ascendante très différente, " a déclaré Sam Bayliss, chercheur postdoctoral dans le groupe Awschalom de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago et co-premier auteur de l'article. « L'utilisation de systèmes moléculaires dans des diodes électroluminescentes a été un changement transformateur ; peut-être que quelque chose de similaire pourrait se produire avec les qubits moléculaires. »

Daniel Laorenza, un étudiant diplômé de l'Université Northwestern et co-premier auteur, voit un énorme potentiel d'innovation chimique dans cet espace. "Ce contrôle chimiquement spécifique de l'environnement autour du qubit fournit une fonctionnalité précieuse pour intégrer des qubits moléculaires optiquement adressables dans un large éventail d'environnements, " il a dit.