Un dispositif optomécanique à l'échelle nanométrique pour l'informatique quantique
Publié par Redbran le 27/08/2018 à 12:00
Source: © Union européenne, [2018] / CORDIS
Un dispositif à l'échelle nanométrique couplant la lumière et le mouvement mécanique au potentiel informatique quantique


© Projet NAMESTRANSIS

Des scientifiques financés par l'UE ont mis au point un dispositif optomécanique à l'échelle nanométrique à base de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) qui permet un couplage fort entre le mouvement mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres...) et la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...). Ils envisagent de l'utiliser comme un transducteur (Un transducteur est un dispositif convertissant une grandeur physique en une autre.) quantique entre les bits quantiques de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la majorité...) et la lumière, une perspective qui pourrait faire avancer de manière significative l'objectif des ordinateurs quantiques à base de silicium.

La manipulation des effets quantiques dans les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) devient de plus en plus puissante et conduit à des dispositifs technologiques dotés de performances et de capacités fondamentalement supérieures. Il a récemment été révélé que les électrons liés aux donneurs dans le silicium avaient l'un des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de cohérence quantique les plus longs. En particulier, les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) d'impureté phosphoreuse dans le silicium sont l'un des atomes qui conservent leur cohérence de spin – le temps nécessaire à la destruction de l'état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il est représenté par un objet mathématique qui donne le maximum...) par l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) – les plus étudiés.

Informations de rotation converties en signaux lumineux

Pour construire un ordinateur quantique (Un ordinateur quantique (ou rarement calculateur quantique) repose sur des propriétés quantiques de la matière : superposition et intrication d'états quantiques. De...) fonctionnel, il est nécessaire de contrôler un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de qubits et de lire et communiquer efficacement les états de qubit (On nomme qubit (quantum + bit ; prononcé /kyoobit/), parfois écrit qbit, l'état quantique qui représente la plus petite unité de stockage...). Des structures optomécaniques minuscules pourraient devenir un élément crucial des progrès de l'information quantique dans un avenir proche. "Les résonateurs optomécaniques à l'échelle nanométrique peuvent servir d'excellents “transducteurs quantiques” entre différents systèmes, tels que les micro-ondes et la lumière ou les qubits et la lumière, agissant comme un canal d'information quantique entre ces systèmes distincts", note le Dr Juha Muhonen, boursier de NAMESTRANSIS, un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) d'action Marie Skłodowska-Curie.

La principale motivation (La motivation est, dans un organisme vivant, la composante ou le processus qui règle son engagement dans une action ou expérience. Elle en détermine le déclenchement dans une certaine direction avec l'intensité...) était de créer un dispositif optomécanique à base de silicium capable de coupler le spin électronique au mouvement quantifié d'un résonateur optomécanique à l'échelle nanométrique, où le mouvement de cette minuscule structure est, à son tour, couplé à des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) optiques. "L'inclusion d'atomes d'impuretés phosphoreuses dans une plaquette de silicium, puis l'encodage de l'information dans le spin des électrons associés peuvent être utilisés pour stocker des informations quantiques", explique le Dr Muhonen. "De fortes interactions de couplage entre le mouvement mécanique du résonateur et la lumière pourraient alors être responsables de la lecture et de la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications,...) de l'information quantique", ajoute le Dr Muhonen.

Des performances inégalées

L'équipe du projet a étudié un type particulier de résonateur optomécanique – une "cavité nanométrique à cristal photonique (Les cristaux photoniques sont des structures périodiques de matériaux diélectriques ou métalliques conçues pour modifier la propagation des ondes électromagnétiques de la même manière qu'un potentiel périodique dans un...) à tranchée" – qui affichait une conversion de petits déplacements vibratoires en lumière avec une résistance sans précédent.

Les travaux du projet se sont donc révélés difficiles sur le plan théorique et pratique, mais aussi gratifiants. "Nous avons remarqué que notre appareil optomécanique se comportait de manière inédite et ne correspondait pas aux modèles analytiques actuellement utilisés. Ce fort couplage optomécanique a été attribué au fait que la cavité peut confiner la lumière à des échelles beaucoup plus petites que la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde transporte aussi de la...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). Le système a démontré des effets non linéaires qui ont eu un impact marqué sur la réponse optique, la mesure du déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de...) mécanique et la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.)", souligne le professeur Verhagen, chef du groupe dans le cadre duquel le projet a été réalisé.

L'équipe du projet a démontré une nouvelle méthode de mesure du mouvement du résonateur basée sur des impulsions lumineuses rapides. "L'utilisation d'impulsions lumineuses très rapides permet d'éviter les mesures et de tester la nature quantique du mouvement mécanique en créant des états mécaniques non classiques", explique le Dr Muhonen. En outre, des impulsions lumineuses rapides peuvent contribuer à améliorer la sensibilité des dispositifs de détection quantiques, ou pourraient être utilisées pour une lecture rapide et précise du spin dans le futur transducteur quantique.

La lecture optique et la communication des états de spin dans le silicium ainsi que la création d'états mécaniques non classiques sont deux objectifs de longue date des chercheurs sur le terrain. Le projet a démontré avec succès comment le dispositif nanométrique à base de silicium, récemment mis au point (Graphie), peut mesurer des mouvements mécaniques minuscules avec une grande précision et qu'il présente un potentiel élevé pour faire avancer ces deux objectifs.

Outre les informations quantiques, les applications incluent également des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une...) de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...), des capteurs de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...) et des accéléromètres.
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