Le développement d'un ordinateur quantique capable de résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent résoudre qu'avec d'énormes difficultés, voire pas du tout : tel est l'objectif poursuivi par un nombre croissant d'équipes de recherche à travers le monde. La raison : les effets quantiques, qui proviennent du monde des particules et des structures les plus infimes, ouvrent la voie à de nombreuses applications technologiques nouvelles. Les supraconducteurs, qui permettent de traiter l'information et les signaux selon les lois de la mécanique quantique, sont considérés comme des composants prometteurs pour la réalisation d'ordinateurs quantiques. Un obstacle majeur des nanostructures supraconductrices réside toutefois dans le fait qu'elles ne fonctionnent qu'à très basse température, ce qui rend leur intégration pratique difficile.
Des chercheurs de l'Université de Münster et du Centre de recherche de Jülich ont démontré pour la première fois la quantification de l'énergie dans des nanofils de supraconducteurs à haute température critique (c'est-à-dire des supraconducteurs dont la température est supérieure à la température en dessous de laquelle les effets quantiques prédominent). Le nanofil supraconducteur n'adopte alors que certains états d'énergie susceptibles de servir à encoder de l'information. Dans ces supraconducteurs à haute température critique, les chercheurs ont également observé, pour la première fois, l'absorption d'un photon unique, particule de lumière servant à transmettre l'information.
« D’une part, nos résultats peuvent contribuer à l’utilisation future de technologies de refroidissement considérablement simplifiées dans le domaine des technologies quantiques ; d’autre part, ils nous offrent des perspectives inédites sur les processus qui régissent les états supraconducteurs et leur dynamique, encore mal compris », souligne Carsten Schuck, professeur agrégé à l’Institut de physique de l’Université de Münster et responsable de l’étude. Ces résultats pourraient donc s’avérer pertinents pour le développement de nouvelles technologies informatiques. L’étude a été publiée dans la revue Nature Communications.
Les scientifiques ont utilisé des supraconducteurs composés d'yttrium, de baryum, d'oxyde de cuivre et d'oxygène (YBCO) pour fabriquer des nanofils d'une épaisseur de quelques nanomètres. Lorsque ces structures conduisent le courant électrique, des phénomènes physiques appelés « glissements de phase » se produisent. Dans le cas des nanofils de YBCO, les fluctuations de la densité des porteurs de charge entraînent des variations du supercourant. Les chercheurs ont étudié ces processus à des températures inférieures à 20 kelvins, soit -253 °C. En combinant ces observations avec des calculs de modélisation, ils ont démontré une quantification des états d'énergie dans les nanofils. La température à laquelle les fils entrent dans l'état quantique a été déterminée entre 12 et 13 kelvins, une température plusieurs centaines de fois supérieure à celle requise pour les matériaux habituellement utilisés. Ceci a permis aux scientifiques de produire des résonateurs, c'est-à-dire des systèmes oscillants accordés à des fréquences spécifiques, avec des durées de vie beaucoup plus longues et de maintenir les états quantiques plus longtemps. Il s'agit d'une condition essentielle au développement à long terme d'ordinateurs quantiques toujours plus grands.
D'autres éléments essentiels au développement des technologies quantiques, mais aussi potentiellement au diagnostic médical, sont des détecteurs capables de capter des photons uniques. L'équipe de recherche de Carsten Schuck à l'Université de Münster travaille depuis plusieurs années au développement de tels détecteurs de photons uniques à base de supraconducteurs. Ce qui fonctionne déjà bien à basse température, les scientifiques du monde entier tentent de le reproduire avec des supraconducteurs à haute température depuis plus d'une décennie. Dans les nanofils de YBCO utilisés pour cette étude, cette tentative a abouti pour la première fois. « Nos nouvelles découvertes ouvrent la voie à de nouvelles descriptions théoriques vérifiables expérimentalement et à des développements technologiques », déclare Martin Wolff, co-auteur de l'étude et membre de l'équipe de recherche de Schuck.
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Date de publication : 7 avril 2020