Traiter des signaux quantiques transportés par des courants électriques

Publié par Redbran le 17/09/2021 à 13:00
Source: CNRS INP
Des chercheurs ont mis au point un algorithme afin d'extraire des informations codées dans les fonctions d'ondes électroniques de courants électriques quantiques. Cela constitue une étape majeure vers le traitement du signal nécessaire au développement des technologies quantiques.


Analyse d'un courant électrique quantique. A partir d'une expérience d'interférométrie (L'interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre...) à deux électrons, il est possible de reconstituer la cohérence électronique qui contient l'information sur l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des fonctions d'ondes à une particule véhiculée par le courant électrique en question. L'algorithme présenté dans la publication effectue ainsi, pour les courants électriques quantiques, l'analogue de la transcription d'une symphonie en sa partition: il permet d'extraire une décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils...) de ce signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) quantique en fonctions d'ondes électroniques élémentaires qui jouent le rôle de "notes de musique" dans une "partition" décrivant les probabilités d'émission de ces fonctions d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) ainsi que leur cohérence de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) mutuelle.

La mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...) et les effets d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type...) associés régissent les lois de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) des conducteurs de petite taille (inférieure à 100 microns) placés à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) (quelques degrés à peine au-dessus du zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr,...) absolu). Elle est responsable de certaines propriétés inhabituelles, par exemple des écarts par rapport à la loi de composition (En mathématiques, une loi de composition, ou loi tout court, est une relation ternaire qui est...) des impédances, selon laquelle dans un circuit électrique (Un circuit électrique est un ensemble simple ou complexe de conducteurs et de composants...) les impédances s'additionnent en série. Aussi spectaculaires que soient ces effets d'électronique quantique, cette image du transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) électronique reste très proche de la description classique de l'optique ondulatoire (L'optique ondulatoire est la discipline qui étudie la lumière en la considérant comme étant une...) issue du XIXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...).

Récemment, l'électronique quantique est entrée dans une nouvelle ère (Une nouvelle ère (1/2) et Une nouvelle ère (2/2) sont des épisodes de la série...) qui ne peut être appréhendée par aucun paradigme d'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) classique. Des émetteurs d'électrons à haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) (de l'ordre du gigahertz), récemment développés, génèrent des courants électriques quantiques, c'est à dire avec peu d'électrons mais où les fonctions d'onde associées sont en cohérence de phase. Ces courants transportent une à quelques excitations élémentaires (comme une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts...) électron-trou) par période, rapprochant ainsi l'électronique du paradigme de l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) quantique, qui vise à manipuler des états à un ou quelques photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) du champ électromagnétique (Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force...) quantique. Il s'agit d'optique quantique électronique, une sous-catégorie de l'électronique quantique où l'on tend vers un courant à électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) unique.

Dans ce cadre, plusieurs protocoles de tomographie ont récemment été démontrés, sondant le contenu à une particule des courants électriques quantiques dépendant du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...). Si ces percées offrent de nouvelles possibilités pour le codage (De façon générale un codage permet de passer d'une représentation des...) d'informations, l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...) de circuits quantiques ou le développement de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...), malgré des progrès rapides, on ne dispose toujours pas d'une boîte à outils pour traiter, analyser et représenter l'information intégrée dans les courants électriques quantiques.

Des chercheurs du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de l'École Normale Supérieure de Lyon (LPENSL, CNRS/ENS Lyon), en collaboration avec le Laboratoire de physique de l'École Normale Supérieure de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) (LPENS, CNRS/ENS Paris/Sorbonne Université/Université de Paris), présentent un algorithme général pour extraire les fonctions d'onde d'un électron présentes dans un courant électrique quantique, les probabilités d'émission de ces fonctions d'onde, et leur cohérence de phase mutuelle. Puis ils l'appliquent à l'analyse de plusieurs sources d'électrons. Ce travail établit les bases pour le développement du traitement du signal des courants électriques quantiques, directement au niveau des fonctions d'onde électroniques, une étape clé dans le développement des technologies quantiques basées sur les électrons. Ces résultats sont publiés dans PRX Quantum.

Référence:
Processing Quantum Signals Carried by Electrical Currents.
B. Roussel, C. Cabart, G. Fève (La fève (Vicia faba L.) est une plante annuelle. C'est une légumineuse de la famille des...), and P. Degiovanni. PRX Quantum, paru le 04 mai 2021.
DOI: doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.020314.
Texte disponible sur les bases d'archives ouvertes HAL et arXiv

Contacts:
- Pascal Degiovanni - Directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Laboratoire de physique de l'École Normale Supérieure de Lyon - pascal.degiovanni at ens-lyon.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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