Les microaimants: un pas de géant pour l'informatique quantique

Publié par Adrien le 16/04/2020 à 14:00
Source: Université de Sherbrooke
Expert sherbrookois de la manipulation de l'information quantique à l'aide de microaimants, Julien Camirand Lemyre a contribué avec son directeur de recherche, Michel Pioro-Ladrière, à une étude interuniversitaire publiée dans la revue Nature, laquelle pourrait faciliter le développement des futures générations d'ordinateurs quantiques.


Julien Camirand Lemyre (à droite) et son directeur de recherche, Michel Pioro-Ladrière (à gauche), de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) quantique. (Photo prise avant la mise en place des mesures de distanciation.)Photo: Michel Caron

Quelque 150 ans après l'invention du tableau périodique des éléments (Le tableau périodique des éléments, également appelé table de Mendeleïev, classification périodique des éléments...), des microaimants intégrés à des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...) artificiels ouvrent de nouveaux horizons (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se...) dans la manipulation de l'information quantique.

C'est sous ce thème de recherche que Julien Camirand Lemyre a réalisé ses études de 3e cycle en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance...) à l'Institut quantique (IQ), sous la supervision du professeur Michel Pioro-Ladrière, l'inventeur de la technique des microaimants. Leur objectif: trouver la bonne unité de base, le bit quantique ou qubit (On nomme qubit (quantum + bit ; prononcé /kyoobit/), parfois écrit qbit, l'état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d'information quantique. Il se compose d'une...), qui servira à fabriquer l'ordinateur quantique (Un ordinateur quantique (ou rarement calculateur quantique) repose sur des propriétés quantiques de la matière : superposition et intrication...).

"Ma recherche est basée sur ce qu'on appelle une boîte quantique, explique Julien. Je fabrique des puces qui se comportent comme des atomes artificiels et qui permettent de piéger un seul et unique électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.). Ma contribution dans mon doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement le grade universitaire le plus élevé. Le titulaire de ce grade est le docteur. Selon les pays et les...), c'est l'utilisation de ce qu'on appelle des microaimants. Mon travail consiste à trouver une façon d'ajouter l'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...) aux boîtes quantiques sans corrompre les propriétés quantiques de la boîte. Ce n'est pas une tâche facile."

L'avantage des microaimants, c'est qu'ils permettent de manipuler l'information quantique, le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même...), plus efficacement et plus rapidement. On espère qu'ils serviront d'assise pour construire l'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...) quantique. À ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...), la technique des microaimants est la plus performante pour manipuler l'information quantique du spin dans les atomes artificiels.

Selon le professeur Pioro-Ladrière, les travaux de Julien portant sur les microaimants constituent la voie de l'avenir pour le procédé qui a été mis au point (Graphie) dans son laboratoire: "Lorsqu'on pense à un physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec, qui...) ou à une physicienne, c'est souvent l'image du rat (Le mot « rat » désigne en français, dans le langage vernaculaire certains mammifères rongeurs, le plus souvent du genre Rattus ou au moins de la...) de laboratoire qui nous vient en tête. Julien, c'est tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le contraire. Il ose (Les oses (ou monosaccharides) sont les monomères des glucides. Ils ne sont pas hydrolysables. Tout comme les diholosides (ou disaccharides), ils possèdent un pouvoir sucrant, et sont solubles...) sortir du laboratoire, des murs de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...), pour accélérer les découvertes. La contribution de Julien à la publication dans la prestigieuse revue Nature découle de son approche entrepreneuriale à la recherche."

Publication dans Nature

Depuis un certain temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), l'équipe du professeur Pioro-Ladrière, dont Julien fait partie, collabore à une étude interuniversitaire basée sur les microaimants. Il s'agit d'une collaboration entre l'UdeS et le Centre for Quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce soit...) Computation and 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, nouvelles...) Technology de l'Université New South Wales, en Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus...).

En intégrant l'approche des microaimants développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites...) à l'UdeS à un dispositif à base de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) purifié fabriqué par l'Université New South Wales, le groupe de recherche a réalisé une percée qui pourrait faire avancer l'informatique quantique (L'informatique quantique est le sous-domaine de l'informatique qui traite des ordinateurs quantiques utilisant des phénomènes de la...). La découverte a d'ailleurs fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est...) d'une publication dans la prestigieuse revue scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) Nature.

"La plupart des expériences de qubits pour l'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines...) quantique sont réalisées à de très basses températures, explique Julien. On parle d'une dizaine de millikelvins. C'est très froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.), ce ne sont pas des températures qui existent sur la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la...) ou même dans l'espace. On est en mesure de construire des réfrigérateurs à dilution (La dilution est un procédé consistant à obtenir une solution finale de concentration inférieure que celle de départ, soit par ajout de solvant, soit par...) qui atteignent ces températures. Dans notre article, l'architecture (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.) à base de microaimants permet de s'affranchir de cette contrainte et d'opérer les bits quantiques à plus haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de...)."

"On travaille à 1 kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et...), et c'est ça, la nouveauté. À cette température, on envisage d'être capable d'intégrer l'électronique de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) qu'il faut pour les qubits. Pour l'ordinateur quantique, ça représente un pas vers l'avant." annonce Julien Camirand Lemyre.


Selon Julien, les microaimants pourraient constituer la clé permettant la fabrication de l'ordinateur quantique.Photo: Michel Caron

Il va sans dire que l'apport de l'IQ dans cette publication est majeur. En plus de fournir la technique permettant de placer les microaimants dans les boîtes quantiques, les chercheurs de l'IQ ont réalisé le design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels, esthétiques et conformes aux impératifs d'une production...) et la conception du dispositif. Quant aux chercheurs de l'Université New South Wales, ils ont fabriqué les dispositifs et effectué la démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En...).

"L'expertise de nos collègues à l'Université New South Wales, c'est la manipulation de qubits de spin, mais aussi la fabrication sur des structures en silicium, poursuit l'étudiant. À Sherbrooke, nous avons l'habitude d'intégrer les microaimants à d'autres types d'architectures. On a donc mis en commun nos savoirs pour permettre la fabrication et l'implémentation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :)."

Bien qu'il s'agisse d'une avancée importante, Julien n'entend pas se croiser les bras. "On n'a pas atteint les performances qu'on aimerait avoir. Il y a encore du travail à faire à ce niveau. Nous avons démontré comment opérer à plus haute température, et là, il faut améliorer les choses. On a fait un pas, et on va continuer de construire à partir de ce pas."

Dans un futur proche, on peut donc s'attendre à voir naître plus de collaborations entre l'IQ et d'autres laboratoires de science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que...) quantique. Qu'à cela ne tienne, la mise en commun d'expertises complémentaires, c'est l'une des forces de l'UdeS, mais aussi de Julien.

À propos de la publication parue dans Nature

L'étude Silicon quantum processor unit cell operation above one Kelvin est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par...) d'une collaboration entre l'Université de Sherbrooke (L'Université de Sherbrooke, fondée en 1954, est une université francophone située à Sherbrooke, Québec au Canada, dans la région de l'Estrie. En 2007 elle a été, selon le quotidien...) et l'Université du New South Wales, en Australie. Les expériences et la rédaction de l'article ont été réalisées à l'Université New South Wales par 2 étudiants, Chih-Hwan Henry Yang et Ross Leon (LEON est un processeur 32 bit RISC open source, compatible SPARC V8 (1987) développé par l'ingénieur suédois Jiri Gaisler pour l'ESA.), sous la supervision du professeur Andrew S. Dzurak. Pour sa part, l'UdeS a mis à contribution son expertise touchant les microaimants par l'entremise de la participation de Julien et du professeur Michel Pioro-Ladrière.
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