Première mondiale : un circuit quantique intégré à l’échelle atomique nous propulse vers les ordinateurs quantiques

La recherche de performances informatiques toujours plus élevées est une motivation forte pour les scientifiques. Les ordinateurs de demain seront quantiques, permettant des calculs rapides et extrêmement complexes, la simulation complète de molécules, ou le développement de matériaux innovants. Or, avant d’y accéder, il faut d’abord créer les composants de ces superordinateurs. Récemment, des ingénieurs de Sydney ont fait la démonstration d’un circuit intégré quantique en silicium, composé de 10 atomes de phosphore. Cela représente une étape importante dans le développement d’une informatique quantique utile en conditions réelles. En contrôlant avec précision les états quantiques des atomes — les différents niveaux d’énergie des électrons appartenant à l’atome —, le nouveau processeur en silicium peut simuler la structure et les propriétés d’une molécule organique avec une précision étonnante.

Le jalon du circuit intégré à l’échelle atomique est l’aboutissement de 20 ans de recherches dirigées par Scientia Michelle Simmons, fondatrice de la start-up Silicon Quantum Computing (SQC) de l’UNSW. En 2012, son équipe avait créé le tout premier « transistor quantique ».

Les transistors sont des petits composants électroniques qui stockent des bribes d’informations. Ils sont fabriqués avec des matériaux semi-conducteurs, permettant un effet commutant et l’encodage de l’information. En effet, dans les semi-conducteurs se trouve un vaste groupe d’électrons. Or, selon la mécanique quantique, un électron peut seulement occuper certains niveaux d’énergie. C’est ainsi que les niveaux des électrons composant le semi-conducteur correspondent à des « bandes » ou des variations de valeurs énergétiques permises. Lorsqu’un transistor est mis en marche — la tension électrique se trouve dans la bande d’énergie —, le courant circule et l’ordinateur détecte la valeur « 1 ». Lorsqu’un transistor est en mode arrêt — la tension électrique est en dehors de la bande d’énergie permise —, le courant ne circule plus et l’ordinateur interprète cela comme la valeur « 0 ».

Rappelons qu’un ordinateur quantique est l’équivalent des ordinateurs classiques, mais effectuant ses calculs en utilisant directement les lois de la physique quantique. Alors qu’un ordinateur classique manipule des bits d’information, qui sont soit des 0 soit des 1, un ordinateur quantique utilise des qubits. Ceux-ci sont des généralisations des bits classiques, qui sont en quelque sorte une superposition simultanée de ces deux états.

C’est ainsi que, récemment, une équipe de physiciens en informatique quantique de l’UNSW Sydney, en partenariat avec la start-up Silicon Quantum Computing, a conçu un processeur quantique à l’échelle atomique, pour simuler le comportement d’une petite molécule organique, en imitant sa structure et ses états énergétiques. Cela représente une étape majeure dans la course à la construction du premier ordinateur quantique au monde, et démontre la capacité de l’équipe à contrôler les états quantiques des électrons et des atomes dans le silicium, à un niveau jamais atteint auparavant. Leurs résultats sont publiés dans la revue Nature.

Imiter la nature, mais de façon très exigeante

Cette innovation technologique relève un défi postulé pour la première fois par le physicien théoricien pionnier, le professeur Richard Feynman, dans sa célèbre conférence de 1959 Plenty of Room at the Bottom. Durant cette conférence, Feynman a affirmé que pour comprendre le fonctionnement de la nature, il est indispensable d’être capable de contrôler la matière aux mêmes échelles de longueur à partir desquelles la matière est construite — c’est-à-dire être capable de contrôler la matière à l’échelle atomique.

La professeure Scientia Michelle Simmons, chercheuse principale de l’étude, déclare dans un communiqué : « Et c’est donc ce que nous faisons, nous le construisons littéralement de bas en haut, où nous imitons la molécule de polyacétylène en mettant des atomes dans le silicium avec les distances exactes qui représentent les liaisons carbone-carbone simples et doubles ». Cette molécule a l’avantage d’être parfaitement connue par les chercheurs. Ils peuvent donc déterminer immédiatement la cohérence du résultat, et par extension la fiabilité de la puce.

Pour concevoir le premier circuit intégré quantique, l’équipe a dû réaliser trois prouesses technologiques distinctes de l’ingénierie atomique, dans un vide quasi-absolu. En effet, à cette échelle, un simple atome d’hydrogène peut compromettre toute la manipulation.

Le premier exploit consistait à créer de petits points d’atomes de taille uniforme, afin que leurs niveaux d’énergie s’alignent et que les électrons puissent facilement les traverser. Ces points, nommés Quantum Dots (QD), sont des points d’atomes de phosphore. En configurant leurs agencements, ils peuvent se comporter en de véritables transistors quantiques. Dans la présente étude, le circuit intégré quantique comprend une chaîne de 10 points quantiques pour simuler l’emplacement précis des atomes dans la chaîne de polyacétylène.

Néanmoins, la bande d’énergie tolérable, comme mentionnée précédemment pour les transistors classiques, est extrêmement réduite. C’est là qu’intervient la deuxième prouesse technologique, la capacité à régler les niveaux d’énergie de chaque point individuellement, mais aussi de tous les points collectivement. Ainsi, en utilisant un système d’une précision nanométrique, ils ont ajouté six électrodes de contrôle (G1 à G6 sur l’image ci-dessous) pour régler les niveaux d’énergie. Ceci permet de donner un contrôle complet de l’endroit où les électrons existent dans la chaîne de polyacétylène. En ajoutant des conducteurs de source (S) et de drain (D), ils pouvaient alors mesurer le courant traversant l’appareil lorsque les électrons traversaient la chaîne de 10 points quantiques.

Enfin, le troisième défi technique était d’atteindre la capacité à contrôler les distances entre les points avec une précision inférieure au nanomètre. S’ils sont trop près, l’énergie produite est trop puissante pour être maitrisée. S’ils sont trop éloignés, les interactions entre eux deviennent hasardeuses. Les points doivent donc être suffisamment proches, mais rester indépendants pour permettre le transport cohérent des électrons à travers la chaîne.

Pour être doublement sûrs de cette cohérence des résultats produits par le circuit, les chercheurs ont simulé deux brins différents des chaînes polymères à 10 points de la molécule.

Dans le premier appareil, ils ont coupé un bout de chaîne pour laisser des doubles liaisons à la fin donnant 10 pics dans le courant. Dans le deuxième appareil, ils ont coupé un fragment différent de la chaîne pour laisser des liaisons simples à la fin, ne donnant lieu qu’à deux pics dans le courant. Le courant qui traverse chaque chaîne était donc radicalement différent en raison des différentes longueurs de liaisons des atomes à l’extrémité de la chaîne.

Le professeur Simmons explique : « Ce que cela montre, c’est que vous pouvez littéralement imiter ce qui se passe réellement dans la molécule. Et c’est pourquoi c’est excitant parce que les signatures des deux chaînes sont très différentes. La plupart des autres architectures informatiques quantiques n’ont pas la capacité de concevoir des atomes avec une précision inférieure au nanomètre ou de permettre aux atomes d’être aussi près. Cela signifie que nous pouvons maintenant commencer à comprendre des molécules de plus en plus compliquées en mettant les atomes en place comme s’ils imitaient le système physique réel ».

Et maintenant ? La biologie quantique…

Selon le professeur Simmons, ce n’est pas par hasard qu’une chaîne carbonée de 10 atomes a été choisie, car elle se situe dans la limite de taille de ce qu’un ordinateur classique est capable de calculer, avec jusqu’à 1024 interactions distinctes d’électrons dans ce système. L’augmenter à une chaîne de 20 points verrait le nombre d’interactions possibles augmenter de façon exponentielle, ce qui rendrait difficile la résolution d’un ordinateur classique.

Elle déclare : « Nous approchons de la limite de ce que les ordinateurs classiques peuvent faire, c’est donc comme un pas vers l’inconnu. […] Nous allons pouvoir comprendre le monde d’une manière différente, en abordant des questions fondamentales que nous n’avons jamais été en mesure de résoudre auparavant ».

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D’ailleurs, on parle de biologie quantique. Ce champ disciplinaire récent s’occupe d’étudier des processus à l’œuvre dans les organismes vivants faisant intervenir les lois de la physique quantique. La photosynthèse, l’orientation des oiseaux migrateurs ou encore la bioluminescence, sont régis par des processus quantiques. La compréhension de ces phénomènes ouvre la voie à de nombreuses innovations dans le domaine du biomimétisme.

L’équipe estime que le développement des ordinateurs quantiques est sur une trajectoire comparable à l’évolution des ordinateurs classiques — d’un transistor en 1947 à un circuit intégré en 1958, puis de petites puces informatiques qui ont été intégrées à des produits commerciaux, comme des calculatrices environ, cinq ans plus tard. D’ailleurs, la production de ce circuit intégré à l’échelle atomique, qui fonctionne comme un processeur quantique analogique, est intervenue moins d’une décennie après la déclaration de l’équipe (en 2012) selon laquelle elle avait fabriqué le premier transistor à atome unique au monde, réalisée deux ans plus tôt que prévu.

Enfin, l’utilisation de moins de composants dans le circuit pour contrôler les qubits minimise la quantité de toute interférence avec les états quantiques, permettant aux dispositifs d’être mis à l’échelle pour créer des systèmes quantiques plus complexes et plus puissants.