Depuis 60 ans, les ordinateurs sont devenus plus petits, plus rapide et moins cher. Mais les ingénieurs approchent des limites de la petite taille des transistors au silicium et de la rapidité avec laquelle ils peuvent faire passer l'électricité à travers des dispositifs pour créer des uns et des zéros numériques.

Cette limitation est la raison pour laquelle le professeur de génie électrique de Stanford, Jelena Vuckovic, se tourne vers l'informatique quantique, qui est basé sur la lumière plutôt que sur l'électricité. Les ordinateurs quantiques fonctionnent en isolant des électrons en rotation à l'intérieur d'un nouveau type de matériau semi-conducteur. Lorsqu'un laser frappe l'électron, il révèle dans quel sens il tourne en émettant un ou plusieurs quanta, ou particules, de la lumière. Ces états de spin remplacent les uns et les zéros de l'informatique traditionnelle.

Vuckovic, qui est l'un des meilleurs chercheurs mondiaux dans le domaine, ladite informatique quantique est idéale pour étudier les systèmes biologiques, faire de la cryptographie ou de l'exploration de données - en fait, résoudre n'importe quel problème avec de nombreuses variables.

"Quand les gens parlent de trouver une aiguille dans une botte de foin, c'est là qu'intervient l'informatique quantique, " elle a dit.

Marina Radulaski, un stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Vuckovic, a déclaré que le potentiel de résolution de problèmes des ordinateurs quantiques découle de la complexité des interactions laser-électron au cœur du concept.

"Avec l'électronique, vous avez des zéros et des uns, " a dit Radulaski. " Mais quand le laser frappe l'électron dans un système quantique, il crée de nombreux états de spin possibles, et qu'un plus grand éventail de possibilités constitue la base d'un calcul plus complexe."

Capture d'électrons

Exploiter les informations basées sur les interactions de la lumière et des électrons est plus facile à dire qu'à faire. Certaines des plus grandes entreprises technologiques du monde essaient de construire des ordinateurs quantiques massifs qui reposent sur des matériaux surrefroidis jusqu'au zéro absolu proche, la température théorique à laquelle les atomes cesseraient de se déplacer.

Dans ses propres études de près de 20 ans, Vuckovic s'est concentré sur un aspect du défi :créer de nouveaux types de puces informatiques quantiques qui deviendraient les éléments constitutifs des futurs systèmes.

"Pour réaliser pleinement la promesse de l'informatique quantique, nous devrons développer des technologies capables de fonctionner dans des environnements normaux, ", a-t-elle déclaré. "Les matériaux que nous explorons nous rapprochent de la découverte du processeur quantique de demain."

Le défi pour l'équipe de Vuckovic est de développer des matériaux capables de piéger un seul, électron isolé. Travailler avec des collaborateurs dans le monde entier, ils ont récemment testé trois approches différentes du problème, dont l'un peut fonctionner à température ambiante - une étape critique si l'informatique quantique doit devenir un outil pratique.

Dans les trois cas, le groupe a commencé avec des cristaux semi-conducteurs, matériau avec un réseau atomique régulier comme les poutres d'un gratte-ciel. En modifiant légèrement ce réseau, ils ont cherché à créer une structure dans laquelle les forces atomiques exercées par le matériau pourraient confiner un électron en rotation.

"Nous essayons de développer l'unité de travail de base d'une puce quantique, l'équivalent du transistor sur puce silicium, " a déclaré Vuckovic.

Points quantiques

Une façon de créer cette chambre d'interaction laser-électron consiste à utiliser une structure connue sous le nom de point quantique. Physiquement, le point quantique est une petite quantité d'arséniure d'indium à l'intérieur d'un cristal d'arséniure de gallium. Les propriétés atomiques des deux matériaux sont connues pour piéger un électron en rotation.

Dans un article récent de Nature Physics, Kevin Fischer, un étudiant diplômé du laboratoire Vuckovic, décrit comment les processus laser-électrons peuvent être exploités dans une telle boîte quantique pour contrôler l'entrée et la sortie de la lumière. En envoyant plus de puissance laser à la boîte quantique, les chercheurs pourraient le forcer à émettre exactement deux photons au lieu d'un. Ils disent que le point quantique présente des avantages pratiques par rapport aux autres principales plates-formes d'informatique quantique, mais nécessite toujours un refroidissement cryogénique, il peut donc ne pas être utile pour l'informatique à usage général. Cependant, il pourrait avoir des applications dans la création de réseaux de communication inviolables.

Centres de couleur

Dans deux autres articles, Vuckovic a adopté une approche différente de la capture d'électrons, en modifiant un monocristal pour piéger la lumière dans ce qu'on appelle un centre de couleur.

Dans un article récent publié dans Lettres nano , son équipe s'est concentrée sur les centres de couleur du diamant. Dans la nature, le réseau cristallin d'un diamant est constitué d'atomes de carbone. Jingyuan Linda Zhang, un étudiant diplômé du laboratoire de Vuckovic, décrit comment une équipe de recherche de 16 membres a remplacé certains de ces atomes de carbone par des atomes de silicium. Cette seule altération a créé des centres de couleur qui ont efficacement piégé les électrons en rotation dans le réseau du diamant.

Mais comme le point quantique, la plupart des expériences de centre de couleur de diamant nécessitent un refroidissement cryogénique. Bien qu'il s'agisse d'une amélioration par rapport à d'autres approches qui nécessitaient un refroidissement encore plus élaboré, Vuckovic voulait faire mieux.

Elle a donc travaillé avec une autre équipe mondiale pour expérimenter un troisième matériau, carbure de silicium. Communément appelé carborundum, le carbure de silicium est un dur, cristal transparent utilisé pour fabriquer des disques d'embrayage, plaquettes de frein et gilets pare-balles. Des recherches antérieures avaient montré que le carbure de silicium pouvait être modifié pour créer des centres de couleur à température ambiante. Mais ce potentiel n'avait pas encore été rendu suffisamment efficace pour produire une puce quantique.

L'équipe de Vuckovic a éliminé certains atomes de silicium du réseau de carbure de silicium d'une manière qui a créé des centres de couleur très efficaces. Ils ont également fabriqué des structures de nanofils autour des centres de couleur pour améliorer l'extraction des photons. Radulaski a été le premier auteur de cette expérience, qui est décrit dans un autre article de NanoLetters. Elle a dit que les résultats nets - un centre de couleur efficace, fonctionnement à température ambiante, dans un matériau familier à l'industrie - étaient d'énormes avantages.

"Nous pensons avoir démontré une approche pratique pour fabriquer une puce quantique, ", a déclaré Radulaski.

Mais le domaine n'en est qu'à ses débuts et l'exploitation des électrons n'est pas une mince affaire. Même les chercheurs ne savent pas quelle(s) méthode(s) l'emportera.

"Nous ne savons pas encore quelle approche est la meilleure, donc on continue à expérimenter, " a déclaré Vuckovic.