Développer un ordinateur quantique capable de résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent résoudre qu'au prix de grands efforts, voire pas du tout, est l'objectif poursuivi actuellement par un nombre croissant d'équipes de recherche à travers le monde. La raison : les effets quantiques, issus du monde des particules et des structures les plus infimes, permettent de nombreuses nouvelles applications technologiques. 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. Cependant, l'un des points faibles des nanostructures supraconductrices est qu'elles ne fonctionnent qu'à très basse température et sont donc difficiles à mettre en œuvre dans des applications pratiques.
Des chercheurs de l'Université de Münster et du Centre de recherche de Juliers ont démontré pour la première fois ce que l'on appelle la quantification d'énergie dans des nanofils constitués de supraconducteurs haute température, c'est-à-dire des supraconducteurs dont la température est élevée en dessous de laquelle les effets de la mécanique quantique prédominent. Le nanofil supraconducteur adopte alors uniquement des états énergétiques sélectionnés, utilisables pour coder l'information. Dans ces supraconducteurs haute température, les chercheurs ont également pu observer pour la première fois l'absorption d'un photon unique, une particule lumineuse servant à transmettre l'information.
« D'une part, nos résultats peuvent contribuer à l'utilisation future de technologies de refroidissement considérablement simplifiées dans les technologies quantiques, et d'autre part, ils nous offrent des perspectives totalement inédites sur les processus régissant les états supraconducteurs et leur dynamique, encore mal compris », souligne le professeur Carsten Schuck, directeur de l'étude à l'Institut de physique de l'Université de Münster. Ces résultats pourraient donc être 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), à partir desquels ils ont fabriqué des fils de quelques nanomètres d'épaisseur. Lorsque ces structures conduisent un courant électrique, des phénomènes physiques appelés « glissements de phase » se produisent. Dans le cas des nanofils d'YBCO, les fluctuations de la densité des porteurs de charge entraînent des variations du supracourant. Les chercheurs ont étudié les processus dans les nanofils à des températures inférieures à 20 Kelvin, soit moins 253 °C. En combinant ces calculs à des modèles, ils ont démontré une quantification des états énergétiques dans les nanofils. La température à laquelle les fils entraient dans l'état quantique se situait entre 12 et 13 Kelvin, soit une température plusieurs centaines de fois supérieure à celle requise pour les matériaux habituellement utilisés. Cela 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 capables de maintenir les états quantiques plus longtemps. C'est une condition préalable au développement à long terme d'ordinateurs quantiques toujours plus grands.
Les détecteurs capables d'enregistrer même des photons uniques constituent un autre élément important du développement des technologies quantiques, mais potentiellement aussi du diagnostic médical. Le groupe de recherche de Carsten Schuck à l'Université de Münster travaille depuis plusieurs années au développement de tels détecteurs de photons uniques basés sur des supraconducteurs. Ce qui fonctionne déjà bien à basse température, des scientifiques du monde entier tentent de le reproduire avec des supraconducteurs à haute température depuis plus de dix ans. Avec les nanofils d'YBCO utilisés pour l'étude, cette tentative a réussi pour la première fois. « Nos nouvelles découvertes ouvrent la voie à de nouvelles descriptions théoriques et à des développements technologiques vérifiables expérimentalement », déclare Martin Wolff, co-auteur du groupe de recherche Schuck.
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Date de publication : 07/04/2020