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La plupart des technologies quantiques que vous avez lues au cours de la dernière décennie sont accompagnées d’une note de bas de page cachée.
Oui, IBM et Google ont construit des ordinateurs quantiques impressionnants. Oui, la communication quantique a été démontrée dans des laboratoires du monde entier. Mais presque tout cela fonctionne avec des machines refroidies à des températures à peine supérieures au zéro absolu – environ moins 273 degrés Celsius – en utilisant d’énormes et coûteux systèmes cryogéniques qui remplissent les pièces et consomment de grandes quantités d’énergie. La science fondamentale fonctionne. L’ingénierie pratique, dans la plupart des cas, ne prétend même pas être prête pour le monde réel.
C’est l’obstacle qu’une équipe de recherche de Stanford vient de réellement surmonter. Dans un article publié dans Communications naturellesla scientifique des matériaux Jennifer Dionne et la chercheuse postdoctorale Feng Pan ont signalé un dispositif à l’échelle nanométrique qui effectue l’une des opérations de base de la communication quantique – enchevêtrer le spin des photons et des électrons – à température ambiante. Pas de surfusion. Pas de plomberie cryogénique. Juste une petite puce à motifs se trouvant à la température d’un laboratoire normal.
Il s’agit de l’une des premières étapes crédibles vers un matériel quantique que l’on pourrait imaginer réellement déployer en dehors d’une installation spécialisée.
Ce que fait réellement l’appareil
Pour comprendre la réalisation, il est utile de comprendre le problème de base.
La communication quantique repose sur un phénomène appelé intrication – une corrélation profonde et contre-intuitive entre deux particules quantiques qui leur permet de partager des informations instantanément, d’une manière qu’aucun signal classique ne peut permettre. L’intrication est à la base de la cryptographie quantique, des réseaux ultra-sécurisés et de nombreuses architectures informatiques quantiques proposées.
Le problème, c’est que les États quantiques sont fragiles. Aux températures quotidiennes, les particules se bousculent constamment, et cette bousculade thermique tend à détruire les corrélations délicates dont dépend l’intrication. À température ambiante, les spins des électrons – l’une des propriétés quantiques clés que les chercheurs souhaitent exploiter – durent généralement des milliardièmes de milliardième de seconde avant de s’effondrer. C’est beaucoup trop court pour les utiliser à quoi que ce soit.
La solution standard a été la force brute. Refroidissez le matériel jusqu’à ce que les bousculades thermiques ralentissent jusqu’à presque rien et que les états quantiques survivent suffisamment longtemps pour pouvoir fonctionner. C’est efficace. C’est aussi pourquoi un ordinateur quantique ressemble actuellement à un lustre suspendu à l’intérieur d’un réfrigérateur de la taille d’une petite chambre.
L’équipe de Stanford a adopté une approche différente. Au lieu de supprimer la température, ils ont conçu les matériaux et la lumière elle-même de manière à ce que le couplage quantique entre photons et électrons soit suffisamment fort et stable pour fonctionner malgré la chaleur.
Comment la lumière tordue rend cela possible
Le plus intelligent, c’est la lumière.
Les faisceaux lumineux ordinaires ont une polarisation – la direction dans laquelle le champ électrique oscille – mais ils ne tournent normalement pas pendant leur déplacement. Le dispositif de Stanford, utilisant une nanostructure de silicium spécialement conçue, génère ce que les physiciens appellent lumière tordue: des photons qui avancent tout en tournant, comme un tire-bouchon tournant sur sa propre longueur.
Cette rotation du tire-bouchon entraîne un moment cinétique, et le moment cinétique est exactement le genre de chose que les électrons peuvent absorber. Lorsque des photons tordus frappent une fine couche d’un matériau appelé diséléniure de molybdène – un semi-conducteur dit bidimensionnel, épais de quelques atomes seulement – ils transfèrent leur spin de rotation aux électrons du matériau. La torsion du photon devient le spin de l’électron. Deux particules, une de lumière et une de matière, sont désormais liées dans un seul état quantique.
Le chercheur postdoctoral Feng Pan, premier auteur de l’article, a décrit le mécanisme en termes simples. « Les photons tournent en forme de tire-bouchon », a-t-il expliqué. « Plus important encore, nous pouvons utiliser ces photons en rotation pour transmettre une rotation aux électrons qui sont au cœur de l’informatique quantique. »
La raison pour laquelle cela fonctionne à température ambiante est la combinaison de matériaux. Le diséléniure de molybdène maintient naturellement de fortes corrélations de spin même à chaud, en raison de sa structure électronique particulière. La nanostructure de silicium située en dessous façonne la lumière entrante afin que le transfert d’énergie soit efficace et que les états quantiques résultants soient stables. Ensemble, ils produisent quelque chose que les approches précédentes ne pouvaient gérer que dans un état de gel profond.
Qu’est-ce que c’est et ce que ce n’est pas
Il vaut la peine d’être honnête sur ce que représente l’appareil, car la couverture médiatique de la technologie quantique a tendance à dépasser les limites.
Ce n’est pas un ordinateur quantique à température ambiante. Construire un ordinateur quantique fonctionnel nécessite de nombreux qubits intriqués, une correction d’erreurs et une foule d’autres capacités d’ingénierie qui sont encore largement confinées aux systèmes cryogéniques. L’appareil de Stanford est un pas vers le quantum à température ambiante communication — la partie du domaine concernée par la transmission sécurisée d’informations à l’aide de propriétés quantiques, et non par l’exécution de calculs.
Cette distinction est importante. La communication quantique est, à certains égards, le fruit le plus accessible. Les réseaux de transmission de données ultra-sécurisées, y compris la distribution de clés quantiques pour la cryptographie, n’ont pas besoin des systèmes enchevêtrés massifs dont a besoin un ordinateur quantique. Ils ont besoin d’interfaces fiables entre la lumière (qui peut parcourir de longues distances à travers les fibres) et la matière (qui peut stocker et manipuler des informations quantiques). L’appareil de Stanford est exactement ce type d’interface – et il fonctionne, pour la première fois, sans cryogénie.
L’équipe de recherche est ouverte sur l’ambition à long terme. L’objectif final est de miniaturiser ce type de matériel au point de pouvoir l’intégrer dans des appareils du quotidien, notamment des téléphones. Selon leurs propres estimations, cette vision sera dans plus de dix ans. L’appareil qu’ils ont construit aujourd’hui n’est pas un produit fini. Il s’agit, plus précisément, d’une démonstration pratique que la trajectoire de la température ambiante est réelle – que l’hypothèse selon laquelle « le matériel quantique doit être froid » était une limite technique et non une loi de la nature.
Pourquoi ce genre d’étape est important
L’histoire de l’informatique est pleine de moments où un élément matériel de laboratoire cesse discrètement d’avoir besoin de l’échafaudage élaboré sur lequel il s’est toujours appuyé, et le résultat, des décennies plus tard, est quelque chose que personne dans le laboratoire d’origine n’avait vraiment prédit.
Les premiers transistors étaient des appareils capricieux installés dans des laboratoires blindés. Les premiers lasers remplissaient les pièces. Les premiers récepteurs GPS étaient de la taille d’une mallette et étaient réservés aux militaires. Aucune de ces technologies, le jour de leur démonstration, ne ressemblait au smartphone dans votre poche. Mais chacun d’eux a franchi un seuil : le moment où la physique sous-jacente a échappé au besoin de conditions spécialisées et est devenue quelque chose que les ingénieurs pouvaient miniaturiser, produire en masse et déployer.
Le matériel quantique n’a pas encore franchi ce seuil. Le dispositif de Stanford ne s’en charge pas seul. Mais c’est le genre de mesure qui, rétrospectivement, s’avère souvent avoir eu plus d’importance qu’il n’y paraissait à l’époque.
Le lustre dans le réfrigérateur n’est peut-être pas la forme finale du quantum après tout.
