Des chercheurs de l’université de Kyushu ont réalisé un exploit majeur dans le domaine de l’informatique quantique en parvenant à maintenir la cohérence quantique à température ambiante. Il s’agit de la capacité d’un système quantique à conserver un état bien défini au fil du temps sans être perturbé par son environnement. En quoi cette nouvelle est-elle importante ?
Que sont les ordinateurs quantiques ?
Les ordinateurs quantiques sont une nouvelle catégorie d’ordinateurs qui exploitent les principes de la mécanique quantique pour effectuer des calculs. Contrairement aux ordinateurs classiques qui utilisent des bits (0 ou 1), les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques, ou qubits, qui peuvent exister dans plusieurs états à la fois.
Pour mieux comprendre, imaginez un ordinateur classique comme une boîte à outils avec des interrupteurs. Chaque interrupteur peut être soit allumé (représentant 1) soit éteint (représentant 0). Ces éléments binaires, appelés bits, sont les unités fondamentales de l’information dans les ordinateurs classiques.
Maintenant, entrez dans le monde quantique. Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, qui sont comme des interrupteurs quantiques. La particularité des qubits réside dans leur capacité à exister dans plusieurs états à la fois grâce à un phénomène appelé superposition quantique. Cela signifie qu’à la différence des bits classiques qui ne peuvent être que 0 ou 1, un qubit peut être 0, 1, ou les deux en même temps.
Cette superposition offre une puissance de calcul extraordinaire. Imaginez que vous ayez plusieurs interrupteurs, et qu’au lieu de les vérifier séparément, vous pouvez les vérifier tous simultanément en exploitant la superposition quantique. Cela rend les ordinateurs quantiques potentiellement bien plus rapides pour certaines tâches.
En plus de la superposition, les qubits peuvent également être intriqués. L’intrication quantique permet à deux qubits d’être étroitement liés de telle sorte que l’état de l’un affecte immédiatement l’état de l’autre, indépendamment de la distance qui les sépare.
Ces caractéristiques font briller les ordinateurs quantiques dans des domaines tels que la factorisation d’entiers (important pour la sécurité des codes de cryptage), la simulation moléculaire (utile pour la conception de médicaments et de matériaux) et la résolution de problèmes complexes, comme l’optimisation logistique.
Le problème des températures
Actuellement, la plupart des ordinateurs quantiques nécessitent cependant des températures extrêmement basses pour fonctionner efficacement. Les qubits sont en effet très sensibles à leur environnement et les fluctuations thermiques peuvent entraîner des erreurs quantiques. C’est pourquoi de nombreux ordinateurs quantiques sont refroidis à des températures proches du zéro absolu, soit environ -273 degrés Celsius.
Cette exigence de basses températures représente un défi majeur pour la mise en œuvre pratique des ordinateurs quantiques à grande échelle, car les systèmes de refroidissement complexes et coûteux nécessaires pour maintenir ces températures rendent la technologie moins accessible et moins efficace pour une utilisation quotidienne, ce qui nous ramène à cette nouvelle percée.
Des chercheurs ont en effet réussi à atteindre la cohérence quantique à température ambiante. Autrement dit, ils ont pu maintenir cet état quantique sans que celui-ci ne soit affecté par des perturbations externes.
Comment ont-ils procédé ?
Cette avancée a été rendue possible en utilisant un chromophore, une molécule colorante qui absorbe la lumière et émet de la couleur, intégré dans une structure appelée MOF ou matériau métallo-organique. Les MOF sont des matériaux cristallins nanoporeux composés d’ions métalliques et de ligands organiques.
L’équipe de chercheurs a introduit un chromophore basé sur le pentacène dans un MOF spécifique. Le pentacène est un hydrocarbure aromatique polycyclique. La structure MOF a permis un mouvement contrôlé du chromophore tout en supprimant suffisamment le mouvement moléculaire global pour maintenir la cohérence quantique à température ambiante.
En d’autres termes, ils ont réussi à créer un environnement stable pour stocker des informations quantiques à des températures que nous rencontrons couramment. Cette avancée ouvre donc la porte à des applications pratiques à température ambiante.
Pour simplifier, cette avancée pourrait conduire à la création de matériaux permettant de stocker plusieurs qubits à température ambiante, ce qui est essentiel pour rendre l’informatique quantique plus accessible et pratique. Cela ouvre également la voie à des applications plus efficaces de la détection quantique pour divers composés cibles.
Les détails de l’étude sont publiés dans la revue Science Advances.
