Explorer les propriétés d'un qudit, élément clé de l'informatique quantique
Publié par Adrien le 16/02/2019 à 08:00
Source: CNRS INP
Des physiciens ont démontré qu'il est possible de contrôler de façon quantique un spin unique multi-niveaux porté par un aimant moléculaire - constituant un "qudit" - permettant ainsi son étude approfondie. La maîtrise du "qudit", complémentaire du "qubit (On nomme qubit (quantum + bit ; prononcé /kyoobit/), parfois écrit qbit, l'état quantique qui représente la plus petite unité de stockage...)", est une étape fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) vers la conception d'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 petits ordinateurs...).


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) d'un transistor à molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité...) aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne...) unique. Le coeur du circuit est l'aimant moléculaire à base de terbium (rose): deux molécules organiques planaires protégeant l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui...) Terbium. L'aimant est connecté à deux électrodes métalliques (atomes d'or) déposées sur un substrat. La lecture des quatre états 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...) du noyau (représentés dans l'agrandissement sous forme d'anneaux colorés) est réalisée par une mesure de courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces...). L'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) des propriétés quantiques de ce qudit est obtenue par l'application d'impulsion de champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point...) micro-ondes (ondes bleue, verte et rouge). © Neel (CNRS)

La réalisation d'un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des...) quantique universel est l'un des objectifs scientifiques majeur du 21e siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut être...), tant ses promesses sont révolutionnaires: cryptographie (La cryptographie est une des disciplines de la cryptologie s'attachant à protéger des messages (assurant confidentialité, authenticité et intégrité) en s'aidant...) inviolable, puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de calcul démultipliée, simulation de procédés inaccessibles aux technologies classiques... Son principe repose sur le qubit, système quantique à deux niveaux, analogue quantique du bit classique. Aujourd'hui, le défi consiste à augmenter le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de qubits en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) afin de réaliser des protocoles d'information quantique plus complexes et plus fiables. Dans ce cadre, les aimants moléculaires de taille nanométrique sont d'un intérêt majeur. L'information est portée par la direction de l'aimantation qui est multiple, contrairement aux aimants classiques qui n'en comportent que deux. Ils permettent donc de disposer de systèmes à d-états ou qudits. Ces dispositifs multi-niveaux rendent plus performants les processus impliqués dans la manipulation du spin quantique. L'utilisation de qudits permettrait également de simplifier certaines tâches de calcul, et donc les circuits requis pour réaliser un ordinateur quantique.

Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de l'analyse...), l'Institut Néel (CNRS) à Grenoble vient de démontrer un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) quantique total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total...) d'un système multi-niveaux. Depuis une dizaine d'années, une équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) de Néel, en collaboration avec l'Institut de technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de Karlsruhe, poursuit des recherches sur le transistor à molécule aimant unique. Cette configuration de transistor est nécessaire afin de pouvoir lire 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 d'information possible sur le système, dans le but de prévoir les...) de la molécule en mesurant le courant traversant le transistor. Ils ont ainsi d'abord prouvé qu'il est possible de lire et de manipuler le spin à quatre niveaux du noyau du terbium d'une molécule. Ce spin nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) unique est par nature fortement isolé de son 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 environnement tend...). Il conserve ainsi ses propriétés quantiques sur des durées de l'ordre de la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps....), ce qui permet de les étudier.

Parmi ces propriétés, la superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable (spin, position, quantité de mouvement etc.)) d'états et les interférences de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) sont deux mécanismes fondamentaux dont découlent les promesses de puissance du calcul quantique. L'équipe a exploré ces propriétés en appliquant trois protocoles d'interférences faisant intervenir les phases des quatre états du spin nucléaire. Une première mesure permet de connaître le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de cohérence d'une superposition multi-niveaux d'un système. Appliqué à une superposition cohérente de trois états de spin nucléaire, ce protocole peut être généralisé à n'importe quel qudit. Le second protocole permet de mesurer directement la phase finale d'un état quantique ayant subit des évolutions par l'application de portes quantiques, analogue des portes logiques. Il s'agit d'un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions...) primordial pour l'élaboration des algorithmes quantiques. Enfin, dans un système physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) qui évolue adiabatiquement et de façon cyclique, on peut mettre en évidence, sous certaines conditions, une phase qui dépend de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de l'évolution au cours d'un cycle. Les auteurs ont montré qu'il était possible, en utilisant le caractère multi-niveaux du système, de mesurer cette phase reliée à la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures...) de l'espace dans lequel évoluent les états quantiques. Cet article est paru dans la revue Nature Partner Journal Quantum Information.
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