Sur la base de l'Europium(III), les scientifiques visent à faire progresser le développement des ordinateurs quantiques. Crédit :S. Kuppusamy, TROUSSE
La lumière peut être utilisée pour faire fonctionner des systèmes de traitement de l'information quantique, par exemple. ordinateurs quantiques, rapidement et efficacement. Des chercheurs du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) et de Chimie ParisTech/CNRS ont maintenant considérablement avancé le développement de matériaux à base de molécules pouvant être utilisés comme unités quantiques fondamentales adressables par la lumière. Comme ils le rapportent dans le journal Communication Nature , ils ont démontré pour la première fois la possibilité d'aborder avec la lumière les niveaux de spin nucléaire d'un complexe moléculaire d'ions de terres rares europium(III).
Que ce soit dans le développement de médicaments, la communication, ou pour les prévisions climatiques :le traitement rapide et efficace de l'information est crucial dans de nombreux domaines. Elle se fait actuellement à l'aide d'ordinateurs numériques, qui fonctionnent avec ce qu'on appelle des bits. L'état d'un bit est soit 0, soit 1, il n'y a rien entre les deux. Cela limite considérablement les performances des ordinateurs numériques, et il devient de plus en plus difficile et chronophage de gérer des problèmes complexes liés à des tâches du monde réel. Ordinateurs quantiques, d'autre part, utiliser des bits quantiques pour traiter les informations. Un bit quantique (qubit) peut être dans de nombreux états différents entre 0 et 1 simultanément en raison d'une propriété mécanique quantique spéciale appelée superposition quantique. Cela permet de traiter les données en parallèle, ce qui augmente la puissance de calcul des ordinateurs quantiques de façon exponentielle par rapport aux ordinateurs numériques.
Les états de superposition de Qubit doivent persister assez longtemps
"Afin de développer des ordinateurs quantiques applicables dans la pratique, les états de superposition d'un qubit doivent persister suffisamment longtemps. Les chercheurs parlent de « cohérence à vie, '" explique le professeur Mario Ruben, chef du groupe de recherche sur les matériaux moléculaires à l'Institut de nanotechnologie (INT) du KIT. "Toutefois, les états de superposition d'un qubit sont fragiles et sont perturbés par les fluctuations de l'environnement, qui conduit à la décohérence, c'est-à-dire raccourcissement de la durée de vie de cohérence." Pour préserver l'état de superposition suffisamment longtemps pour les opérations de calcul, isoler un qubit de l'environnement bruyant est envisageable. Les niveaux de spin nucléaire dans les molécules peuvent être utilisés pour créer des états de superposition avec de longues durées de vie de cohérence car les spins nucléaires sont faiblement couplés à l'environnement, protéger les états de superposition d'un qubit des influences extérieures perturbatrices.
Le complexe Europium jouant le rôle de qubit, dans lequel la densité de spin nucléaire est manipulée par la lumière. Crédit :C. Grupe KIT
Les molécules sont idéalement adaptées comme systèmes Qubit
Un seul qubit, cependant, ne suffit pas pour construire un ordinateur quantique. De nombreux qubits à organiser et à traiter sont nécessaires. Les molécules représentent des systèmes qubit idéaux car elles peuvent être disposées en nombre suffisamment grand en tant qu'unités évolutives identiques et peuvent être adressées avec de la lumière pour effectuer des opérations qubit. En outre, les propriétés physiques des molécules, telles que l'émission et/ou les propriétés magnétiques, peuvent être adaptés en modifiant leurs structures en utilisant des principes de conception chimique. Dans leur article maintenant publié dans la revue Communication Nature , des chercheurs dirigés par le professeur Mario Ruben de l'IQMT du KIT et du Centre européen des sciences quantiques de Strasbourg—CESQ et le Dr Philippe Goldner de l'École nationale supérieure de chimie de Paris (Chimie ParisTech/CNRS) présentent un europium dimérique contenant un spin nucléaire (III ) molécule comme qubit adressable par la lumière.
La molécule, qui appartient aux métaux des terres rares, est conçu pour présenter une luminescence, c'est à dire., une émission sensibilisée centrée sur l'europium(III), lorsqu'il est excité par des ligands absorbant la lumière ultraviolette entourant le centre. Après absorption lumineuse, les ligands transfèrent l'énergie lumineuse au centre de l'europium(III), l'excitant ainsi. La relaxation du centre excité à l'état fondamental conduit à une émission de lumière. L'ensemble du processus est appelé luminescence sensibilisée. La combustion spectrale des trous - des expériences spéciales avec des lasers - détecte la polarisation des niveaux de spin nucléaire, indiquant la génération d'une interface efficace de spin nucléaire léger. Ce dernier permet la génération de qubits hyperfins adressables par la lumière basés sur les niveaux de spin nucléaire. "En démontrant pour la première fois la polarisation de spin induite par la lumière dans la molécule d'europium(III), nous avons réussi à franchir une étape prometteuse vers le développement d'architectures d'informatique quantique basées sur des molécules contenant des ions de terres rares, " explique le Dr Philippe Goldner.
