Les ordinateurs quantiques, comme quiconque a déjà demandé un devis le sait, sont une plaie. Ils nécessitent des températures proches du zéro absolu (-459°F), soit à peu près la température de l'espace lointain et, coïncidence, la température de la patience de la plupart des gens envers cette technologie. Mais des chercheurs de l'Université de Stanford ont développé un dispositif optique nanométrique qui fonctionne à température ambiante en reliant les propriétés quantiques de la lumière et des électrons. Cela pourrait conduire à des technologies quantiques plus petites et moins chères, capables de transmettre des informations sur de longues distances sans nécessiter d'installation cryogénique.
Le dispositif permet l'intrication entre photons (particules de lumière) et électrons, une exigence fondamentale pour la communication quantique. Jennifer Dionne, professeure de science et génie des matériaux à Stanford et auteure principale de l'étude publiée dans Nature Communications, note que le matériau n'est pas nouveau, mais la façon dont ils l'utilisent l'est. « Il fournit une connexion de spin très polyvalente et stable entre électrons et photons, qui est la base théorique de la communication quantique », dit-elle. « Cependant, en général, les électrons perdent leur spin trop rapidement pour être utiles. » Alors ils ont réparé ça.
L'engin combine une fine couche de diséléniure de molybdène (MoSe2) avec un substrat de silicium nanostructuré. Le diséléniure de molybdène fait partie d'une famille appelée dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), prisés pour leurs propriétés optiques et quantiques. Les nanostructures de silicium génèrent ce que les chercheurs appellent « lumière tordue ». Feng Pan, chercheur postdoctoral et premier auteur de l'article, explique : « Les photons tournent en tire-bouchon, mais plus important encore, nous pouvons utiliser ces photons tournants pour imprégner de spin les électrons qui sont au cœur du calcul quantique. » Donc c'est essentiellement un très petit et très précis tordeur de lumière.
Les nanostructures modelées ont à peu près la taille des longueurs d'onde de la lumière visible – invisibles à l'œil nu, mais cruciales pour manipuler les photons afin qu'ils tournent vers le haut ou vers le bas. Cette lumière tordue peut s'intriquer avec les spins des électrons, créant des qubits, les blocs de construction de l'information quantique. En informatique conventionnelle, ce sont des zéros et des uns ; en quantique, les qubits exploitent les effets quantiques pour faire les choses différemment. Le gros obstacle a été la décohérence – la perte d'information quantique – qui nécessite généralement un refroidissement extrême pour l'éviter. Ce dispositif contourne cela en fonctionnant à température ambiante, le rendant relativement peu coûteux et pratique.
Si développé davantage, la technologie pourrait améliorer les communications sécurisées, la détection avancée, le calcul haute performance et l'intelligence artificielle. L'équipe a choisi les matériaux TMDC pour leurs caractéristiques quantiques inhabituelles, en collaboration avec les chercheurs de Stanford Fang Liu et Tony Heinz, spécialistes de ces matériaux. « Tout se résume à ce matériau et à notre puce de silicium », dit Pan. « Ensemble, ils confinent et amplifient efficacement la torsion de la lumière pour créer un fort couplage de spin entre photons et électrons. Cela stabilise l'état quantique qui rend la communication quantique possible. »
Les chercheurs continuent d'améliorer le dispositif, explorant des matériaux TMDC supplémentaires et des combinaisons pour de meilleures performances. Ils étudient également si ces systèmes pourraient débloquer de nouvelles capacités quantiques actuellement impossibles à température ambiante. Un objectif à plus long terme est d'intégrer de tels dispositifs dans des réseaux quantiques plus vastes, nécessitant des améliorations des sources lumineuses, modulateurs, détecteurs et interconnexions. En fin de compte, ils espèrent que les composants quantiques pourront être miniaturisés pour l'électronique grand public. « Si nous y parvenons, peut-être qu'un jour nous pourrons faire du calcul quantique dans un téléphone portable », dit Pan avec un sourire. « Mais c'est un plan sur plus de 10 ans. » Alors ne retenez pas votre souffle, mais commencez peut-être à planifier un téléphone beaucoup plus cool.