Vers une seconde révolution quantique dans les nanosciences

Un arti­cle com­plé­men­taire du précé­dent où l’on décrit les nom­breuses appli­ca­tions envis­agées en exploitant la cohérence ou l’in­tri­ca­tion quan­tique : con­stru­ire un réseau de com­mu­ni­ca­tions con­fi­den­tiel ; simuler le non-mod­élis­able ; faire de la lumière à un seul pho­ton ; dévelop­per des cap­teurs de taille nanométrique…

Les principes et les appli­ca­tions de la mécanique quan­tique ont durable­ment mod­i­fié notre vie et sont au cœur de nom­breux objets de notre quo­ti­di­en : tran­sis­tors, laser, GPS, etc.

Les nanosciences ont eu un rôle déter­mi­nant dans cette révo­lu­tion tech­nologique en per­me­t­tant la minia­tur­i­sa­tion à l’extrême des composants.

“ Ces composants n’exploitent pas encore les propriétés les plus spectaculaires de la mécanique quantique ”

Ce sont des micro­cap­teurs optiques, élec­triques, mécaniques qui font aujourd’hui de nos télé­phones porta­bles de puis­sants ordi­na­teurs capa­bles de réa­gir au moin­dre mou­ve­ment, son, ray­on de lumière.

Si cette révo­lu­tion tech­nologique est loin d’être achevée, avec tou­jours plus de minia­tur­i­sa­tion, de puis­sance de cal­cul et l’apparition de nou­velles tech­nolo­gies, par exem­ple à base de polymères, une autre révo­lu­tion se pré­pare dans les laboratoires.

En effet, ces com­posants reposent en grande par­tie sur la pos­si­bil­ité de struc­tur­er la lumière et la matière à l’échelle micro et nanométrique. Les lasers à semi-con­duc­teurs, les pix­els des caméras font quelques micromètres de large, les tran­sis­tors font quelques dizaines de nanomètres. Ce con­fine­ment ultime de la lumière et des élec­trons donne lieu à des niveaux d’énergie bien défi­nis (quan­tifiés).

Cepen­dant, tous ces com­posants n’exploitent pas encore les pro­priétés qui ont fasciné les fon­da­teurs de la mécanique quan­tique au début du vingtième siècle.

COMMENT EXPLOITER LA COHÉRENCE OU L’INTRICATION QUANTIQUE ?

La mécanique quan­tique a en effet intro­duit l’idée qu’on ne peut plus décrire la tra­jec­toire d’une par­tic­ule comme on le fait en physique clas­sique, c’est-à-dire con­naître à tout instant sa posi­tion et sa vitesse. L’état d’une par­tic­ule est don­né par sa fonc­tion d’onde, qui per­met d’accéder à une prob­a­bil­ité de présence en un point don­né, à un instant don­né, et qui peut égale­ment don­ner lieu à des proces­sus d’interférences entre dif­férents chemins pos­si­bles, comme pour une onde lumineuse.

“ Manipuler l’état quantique individuel du support de l’information puis connecter plusieurs bits ”

La cohérence quan­tique, cen­trale pour ces inter­férences quan­tiques, est encore large­ment inex­ploitée dans les com­posants d’aujourd’hui. Une autre pro­priété remar­quable de la mécanique quan­tique encore inex­ploitée est l’intrication, une pro­priété au cœur des expéri­ences de téléportation.

Les derniers pro­grès dans les nan­otech­nolo­gies et nanosciences per­me­t­tent aujourd’hui de fab­ri­quer des com­posants minia­tures qui béné­fi­cient de ces pro­priétés de cohérence quan­tique et d’intrication. Cela est tout à fait remar­quable, car la cohérence quan­tique est très frag­ile et dif­fi­cile à préserv­er dans des sys­tèmes à l’état solide con­sti­tués de mil­liards de mil­liards d’atomes.

Les objec­tifs, et les promess­es, ici sont var­iés : con­stru­ire l’ordinateur ou le cal­cu­la­teur quan­tique du futur, dévelop­per un réseau de com­mu­ni­ca­tions où la con­fi­den­tial­ité des infor­ma­tions serait garantie par les lois de la mécanique quan­tique, etc.

Image obtenue au micro­scope élec­tron­ique à bal­ayage (MEB) mon­trant un réseau en nid‑d’abeilles où chaque micropili­er con­fine des pho­tons qui peu­vent pass­er d’un pili­er à l’autre. La géométrie con­fère aux pho­tons des pro­priétés très sim­i­laires à celles des élec­trons dans le graphène et per­met de simuler le trans­port des élec­trons avec des paramètres contrôlés.
© CNRS, UNIVERSITÉ PARIS-SACLAY, C2N

SIMULER LE NON-MODÉLISABLE

Si réalis­er un ordi­na­teur quan­tique est encore un objec­tif très ambitieux – car il sup­pose de con­trôler cette cohérence quan­tique pour un nom­bre impor­tant de par­tic­ules (env­i­ron une cen­taine) – il existe des tâch­es inter­mé­di­aires acces­si­bles aux sys­tèmes d’aujourd’hui.

Il s’agit non pas de cal­culer mais de simuler des sit­u­a­tions physiques impos­si­bles à mod­élis­er avec des ordi­na­teurs clas­siques très puis­sants. Ces sim­u­la­tions quan­tiques repro­duisent, dans un sys­tème con­trôlé, des sit­u­a­tions que l’on veut étudi­er mais qu’on ne peut modéliser.

La sim­u­la­tion quan­tique peut être réal­isée avec des com­posants semi-con­duc­teurs de taille micrométrique, telles les struc­tures à « polari­tons de cav­ité », proches des micro­lasers à émis­sion verticale.

Il est pos­si­ble de créer des états de polari­tons en inter­ac­tion présen­tant une cohérence quan­tique sur des tailles de plusieurs cen­taines de microns. Ain­si, en util­isant les procédés de nanofab­ri­ca­tion, il est pos­si­ble de don­ner une forme absol­u­ment arbi­traire à ces struc­tures de polari­tons et d’étudier les états cohérents d’une telle structure.

Les chercheurs peu­vent ain­si simuler un graphène arti­fi­ciel et étudi­er l’incidence des inter­ac­tions sur les pro­priétés de trans­port, les phénomènes de trans­port au bord du cristal, etc.

PAS À PAS VERS L’ORDINATEUR QUANTIQUE

Pour aller pro­gres­sive­ment vers un cal­cu­la­teur quan­tique, les chercheurs dévelop­pent des briques élé­men­taires d’information, le bit quan­tique, ain­si que divers­es méth­odes pour réalis­er des opéra­tions quantiques.

Image au micro­scope optique d’un processeur à qua­tre bits quan­tiques (Q1-Q4). Pour chaque bit quan­tique, un cir­cuit élec­trique supra­con­duc­teur per­met de con­trôler l’état du bit et de le mesur­er à la fin du cal­cul. Une ligne de trans­mis­sion reliant les 4 bits quan­tiques per­met de réalis­er des opéra­tions logiques entre eux. © CEA-SPEC

De très nom­breux sys­tèmes sont explorés à l’état solide pour réalis­er un tel bit quan­tique : un élec­tron unique dans un matéri­au semi-con­duc­teur, le spin d’une charge dans divers matéri­aux (dia­mant, sili­ci­um), une exci­ta­tion élé­men­taire d’un cir­cuit supra­con­duc­teur, etc. L’enjeu est alors de manip­uler l’état quan­tique indi­vidu­el du sup­port de l’information, puis de con­necter plusieurs bits d’information.

Une approche large­ment explorée con­siste à utilis­er le champ élec­tro­mag­né­tique pour à la fois con­trôler l’état d’un bit quan­tique et réalis­er des portes logiques entre plusieurs bits. Un sys­tème très avancé dans ce domaine est par exem­ple celui des qubits supraconducteurs.

FAIRE DE LA LUMIÈRE À UN SEUL PHOTON

En par­al­lèle, des archi­tec­tures de réseaux sont explorées pour reli­er dif­férents dis­posi­tifs quantiques.

“ Il est possible de fabriquer des atomes artificiels qui émettent des photons un par un ”

Ici, comme pour les com­mu­ni­ca­tions clas­siques, la lumière est le vecteur d’information de choix, promet­tant à terme de trans­met­tre l’information sur de longues dis­tances. Naturelle­ment, la lumière doit alors elle aus­si présen­ter des car­ac­téris­tiques quan­tiques afin de garan­tir la cohérence sur l’ensemble du réseau.

Dans le domaine des com­mu­ni­ca­tions clas­siques, l’information est trans­mise grâce à des impul­sions laser, chaque impul­sion con­tenant un grand nom­bre de pho­tons. Pour trans­met­tre l’information au niveau quan­tique, une approche est d’utiliser des impul­sions qui ne con­ti­en­nent qu’un et un seul photon.

À gauche : image au MEB d’une source de pho­tons uniques en forme de nan­otrompette. La boîte quan­tique est située en bas de la trompette et placée au-dessus d’un miroir d’or, ce qui per­met de col­lecter effi­cace­ment les pho­tons. © CEA-INAC
À droite : image au MEB d’une source de pho­tons uniques con­trôlée élec­trique­ment : la boîte quan­tique est placée au cen­tre de la cav­ité et la forme en croix per­met d’appliquer un champ élec­trique qui réduit le bruit et préserve la cohérence quan­tique. © CNRS, UNIVERSITÉ PARIS-SACLAY, C2N

De telles sources peu­vent être obtenues avec un seul atome : la struc­ture de niveaux atom­iques garan­tit l’émission d’un seul pho­ton à la fois. Cepen­dant, isol­er et piéger un seul atome, ne serait-ce que quelques sec­on­des, est un tour de force. Les nan­otech­nolo­gies per­me­t­tent de repro­duire cette sit­u­a­tion dans des matéri­aux artificiels.

En util­isant les mêmes tech­niques qui per­me­t­tent de réalis­er des diodes élec­tro­lu­mi­nes­centes, il est pos­si­ble de fab­ri­quer des atom­es arti­fi­ciels appelés « boîtes quan­tiques » qui émet­tent des pho­tons un par un.

Pour obtenir une source effi­cace, il faut col­lecter chaque pho­ton émis. De plus, il faut que ces pho­tons présen­tent cette fameuse cohérence qui garan­tit la nature quan­tique de la manip­u­la­tion de l’information, con­di­tion dif­fi­cile pour des atom­es arti­fi­ciels insérés dans un matéri­au où les atom­es vibrent et des charges fluctuent.

Petit à petit, en util­isant toutes les pos­si­bil­ités offertes par les nan­otech­nolo­gies, ces com­posants voient le jour. En plaçant la boîte quan­tique dans des struc­tures pho­toniques telles des nan­otrompettes ou des micro­cav­ités très proches des struc­tures de laser à cav­ité ver­ti­cale, les chercheurs ont mon­tré qu’ils pou­vaient col­lecter chaque pho­ton unique émis avec une effi­cac­ité de 80 %.

Tout récem­ment, il a été mon­tré qu’il était pos­si­ble de s’affranchir des vibra­tions mécaniques et élec­triques et d’obtenir des pho­tons par­faite­ment cohérents, de même qual­ité que ceux pro­duits par un seul atome isolé, mais ici obtenus avec les tech­nolo­gies de l’optoélectronique.

VERS UNE NOUVELLE RÉVOLUTION DANS LES MICROCAPTEURS

“ Une mesure toujours plus précise du temps, du champ magnétique, du mouvement, etc. ”

Enfin, la sec­onde révo­lu­tion quan­tique pour­rait avoir de nom­breuses appli­ca­tions dans le vaste domaine des cap­teurs, per­me­t­tant des mesures tou­jours plus pré­cis­es du temps, du champ mag­né­tique ou élec­trique, du mou­ve­ment, etc. Une telle révo­lu­tion se pré­pare égale­ment dans le domaine des microcapteurs.

Il est ain­si pos­si­ble de mesur­er des champs mag­né­tiques infimes en mesurant les pro­priétés de spin de défauts dans un nanocristal de diamant.

Il est aus­si pos­si­ble de réalis­er des micro­cap­teurs de force dans les matéri­aux semi-con­duc­teurs. Le cap­teur est un petit disque de semi-con­duc­teur de quelques micromètres de diamètre porté par un pied de quelques cen­taines de nanomètres. Ce petit disque est un résonateur mécanique cou­plé à la lumière.

Image au MEB d’un microré­sonateur mécanique pou­vant réalis­er un cap­teur de force ultime. Le résonateur mécanique est un microdisque dont les vibra­tions sont con­trôlées et mesurées grâce à la lumière qui cir­cule dans le guide optique qui l’entoure. La struc­ture ver­ti­cale en plusieurs niveaux per­met d’isoler le résonateur du sub­strat. © CNRS, UNIVERSITÉ PARIS-DIDEROT, MPQ

Un guide optique courbe sus­pendu, de quelques cen­taines de nanomètres de large, entoure le disque afin de cou­pler effi­cace­ment la lumière au disque. De la mesure de l’intensité lumineuse trans­mise par ce guide on déduit celle des vibra­tions mécaniques du disque et on les contrôle.

On peut ain­si ren­forcer les oscil­la­tions mécaniques du disque avec de la lumière ou, inverse­ment, les amor­tir. Dans ce régime où le disque ne vibre presque plus (le régime quan­tique pour les vibra­tions), toute per­tur­ba­tion extérieure pour­ra être détec­tée avec une très grande sen­si­bil­ité. De tels com­posants pour­ront avoir des appli­ca­tions mul­ti­ples pour les mesures de force par exem­ple en sis­molo­gie ou pour la détec­tion en milieu biologique.

La grande flex­i­bil­ité offerte par la sci­ence des matéri­aux et les pos­si­bil­ités infinies des nan­otech­nolo­gies per­me­t­tent un con­trôle tou­jours plus grand de sys­tèmes quan­tiques minia­tures. Guidés par les travaux pio­nniers des chercheurs en physique atom­ique, les chercheurs et ingénieurs des nanosciences ont une grande palette d’outils et de con­cepts à leur dis­po­si­tion pour fab­ri­quer petit à petit des com­posants de la sec­onde révo­lu­tion quantique.

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