Une nouvelle technique de résonance magnétique pourrait révolutionner l'informatique quantique

En 2001, une équipe de physiciens d'IBM et de l'Université de Stanford dans la Silicon Valley a révélé qu'ils avaient construit un ordinateur remarquable capable d'exploiter les étranges règles de la mécanique quantique pour traiter l'information.

Cet ordinateur quantique a été conçu pour factoriser les nombres, un problème avec lequel les ordinateurs conventionnels ont particulièrement du mal. L'équipe l'a fièrement démontré en trouvant les deux facteurs premiers du nombre 15 (3 et 5, au cas où vous vous poseriez la question).

C'était un exploit impressionnant. C'était possible parce qu'un objet quantique peut exister dans deux états en même temps, représentant un 0 et un 1 simultanément. Ce type de superposition permet à un objet quantique de calculer avec 2 bits simultanément, à deux objets quantiques de calculer avec quatre bits simultanément, à huit objets quantiques de calculer avec 256 bits et ainsi de suite.

L'IBM/Stanford ne disposait que de sept qubits. Mais la promesse de ces types d'appareils est énorme : un ordinateur avec seulement 30 qubits serait plus puissant que n'importe quel ordinateur conventionnel existant.

Mais au cours des dix années qui ont suivi, personne n'a construit un ordinateur quantique beaucoup plus puissant que celui-ci. Comment venir?

La machine IBM/Stanford fonctionnait à l'aide d'une technique appelée résonance magnétique. L'idée est de trouver une molécule qui contient des noyaux atomiques qui peuvent être amenés à tourner vers le haut ou vers le bas à des énergies légèrement différentes. Cela permet à chaque noyau d'être adressé séparément en utilisant la technique de résonance magnétique.

Cela implique de les placer dans un champ magnétique puissant, de les zapper avec des ondes radio puis d'écouter l'écho. (Toute personne ayant subi une IRM aura subi le même traitement.)

La technique fonctionne avec toutes sortes de molécules telles que l'acétone, la caféine et même l'alcool, bien que l'équipe IBM/Stanford ait utilisé une molécule exotique connue sous le nom de complexe de fer perfluorobutadiényle pour obtenir leurs sept qubits. Et ça marche aussi à température ambiante, ce qui est pratique.

Mais voici la chose. Le signal d'une seule molécule est trop faible pour que cette technique puisse être capté, vous devez donc utiliser toute une tasse de molécules pour effectuer le calcul. Et cela impose des limites sévères à l'évolutivité de la technique.

L'utilisation de molécules plus grosses pour augmenter le nombre de qubits réduit considérablement le signal que vous pouvez capter à partir de chaque qubit. Ainsi, la technique de résonance magnétique utilisant une tasse de molécules ne fonctionne tout simplement pas pour beaucoup plus qu'une poignée de qubits.

C'est pourquoi les physiciens sont bloqués depuis si longtemps. Personne ne savait comment augmenter le nombre de qubits, jusqu'à présent.

Aujourd'hui, Mike Grinolds et ses amis de l'Université Harvard disent qu'ils ont résolu le problème. Et la façon dont ils l'ont fait est de réduire la partie commerciale d'une machine à résonance magnétique à la taille d'une tête d'épingle. (Si vous avez déjà vu une machine à résonance magnétique, vous saurez à quel point c'est un exploit.)

Ils l'ont fait en plaçant un puissant aimant à la pointe de balayage d'un microscope à force atomique. De cette façon, ils peuvent créer un puissant gradient de champ magnétique dans un volume d'espace de quelques nanomètres seulement. Cela leur permet de stimuler et de contrôler la résonance magnétique d'électrons isolés.

Ils ont testé leur appareil sur ce qu'on appelle les lacunes d'azote dans le diamant. Ceux-ci sont créés en enterrant des atomes uniques d'azote dans de fines feuilles de diamant. Les physiciens quantiques sont fascinés par ces lacunes car elles sont bien protégées du monde extérieur et donc stables, et sont faciles à voir par les photons qu'elles émettent.

Ces postes vacants peuvent également être placés à proximité les uns des autres afin qu'ils puissent interagir les uns avec les autres, une exigence cruciale pour les ordinateurs quantiques car cela permet la création de portes logiques quantiques avec plus d'un ensemble d'entrées et de sorties.

Mais de telles portes ne fonctionneront que si les électrons dans les lacunes peuvent être manipulés de la bonne manière.

C'est exactement ce que permet la nouvelle technique de résonance magnétique : la manipulation des électrons d'une manière qui pourrait facilement être adaptée pour le calcul quantique.

Grinold et co disent que cela a des applications potentielles intrigantes allant des magnétomètres nanométriques sensibles aux processeurs d'informations quantiques évolutifs.

C'est une percée passionnante. Les lacunes d'azote dans le diamant sont bien étudiées dans de nombreux laboratoires à travers le monde et les microscopes à force atomique sont des kits assez standard. Ajoutez à cela le fait que le premier ordinateur quantique à grande échelle gagnera presque certainement à son propriétaire un prix décent et vous avez tous les ingrédients pour un humdinger d'une course.

Et c'est sans parler des nombreux autres coureurs : pièges à ions, cavités quantiques, qubits supraconducteurs et portes logiques optiques, etc.

Dans le steeple-chase de l'informatique quantique, il semblait autrefois que la résonance magnétique était tombée au début. Maintenant, il est de nouveau dans la course et chasse le plomb.

Réf : arxiv.org/abs/1103.0546 : Contrôle quantique des spins proximaux à l'aide de l'imagerie par résonance magnétique à l'échelle nanométrique

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