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...) 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...), des microaimants intégrés à des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) artificiels ouvrent de nouveaux horizons (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) 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...) 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 servira à fabriquer l'ordinateur quantique (Un ordinateur quantique (ou rarement calculateur quantique) repose sur des propriétés quantiques...).

"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...). Ma contribution dans mon doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement...), 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...) 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...), 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...) quantique. À ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...), 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...) ou à une physicienne, c'est souvent l'image du rat (Le mot « rat » désigne en français, dans le langage vernaculaire...) 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...) le contraire. Il ose (Les oses (ou monosaccharides) sont les monomères des glucides. Ils ne sont pas hydrolysables....) sortir du laboratoire, des murs de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...), 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...), 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...) Computation and Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) Technology de l'Université New South Wales, en Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de...).

En intégrant l'approche des microaimants développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) à l'UdeS à un dispositif à base de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) 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...). La découverte a d'ailleurs fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) 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...) Nature.

"La plupart des expériences de qubits pour l'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine...) 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...) 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...) qui atteignent ces températures. Dans notre article, l'architecture (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans,...) 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...)."

"On travaille à 1 kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par...), 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...) 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,...) 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...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...).

"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...) 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....) d'une collaboration entre l'Université de Sherbrooke (L'Université de Sherbrooke, fondée en 1954, est une université francophone...) 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...), 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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