Loin des imposantes machines d’IBM ou Google, les calculateurs quantiques pourraient être beaucoup plus petits. A l’Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (ICMMO, dans l'Essonne) du CNRS, des chercheurs travaillent à la conception de molécules pouvant faire partie d’un processeur quantique… moléculaire. "Nous cherchons à créer des molécules pouvant jouer le rôle de bit quantique", explique Talal Mallah, chercheur de l’institut.
Ce chimiste spécialiste en magnétisme moléculaire a publié fin février un article sur le sujet dans la revue Chemical Science. Son équipe est parvenue à synthétiser une nouvelle molécule, à base d’ions nickel, à la fois insensible aux interférences magnétiques et manipulable à distance. Le début d’une nouvelle approche du calcul quantique.
Vers un temps de cohérence élevé
"Les qubits moléculaires habituellement développés ont un spin demi-entier, très sensible à l’environnement magnétique, explique le scientifique. La moindre déformation, la moindre perturbation dans l’environnement des molécules met fin à son état de cohérence, indispensable pour réaliser des calculs." L’approche des chercheurs est alors de passer d’un spin demi-entier à un spin entier. "Contrairement à une molécule de spin demi-entier, le spin entier n’est pas magnétique : il est insensible aux bruits magnétiques environnants", précise-t-il. Problème, si l’existence théorique de telles molécules est admise, leur mise en oeuvre est complexe.
C’est là le sujet des recherches menées par le chimiste et son équipe, en collaboration avec un laboratoire espagnol (l’Institut de nanosciences et des matériaux d’Aragón), le Laboratoire national des champs magnétiques intenses de Grenoble (Isère) et le Laboratoire de chimie et physique quantiques de Toulouse (Haute-Garonne). "Nous avons formulé un cristal de nickel à l’état d’oxydation +2, dont les électrons forment un système à deux niveaux bien distincts", présente Talal Mallah. Indispensables à la réalisation d’un calcul, ces deux niveaux représentent l’état 0 ou 1 du qubit.
"Nous pouvons manipuler les deux niveaux grâce à des micro-ondes, tout en ayant très peu de perturbations magnétiques, affirme le scientifique. Cela nous fait gagner du temps de cohérence." Les scientifiques ont ainsi mesuré un temps d’interaction du spin avec le réseau – qui limite le temps de cohérence – de 100 millisecondes. Une valeur élevée pour un système moléculaire, qui présage un temps de cohérence suffisant pour réaliser des calculs quantiques.
La solution sous les yeux ?
Reste maintenant à manipuler ces qubits-molécules. "C’est l’objectif de nos travaux actuels, présente Talal Mallah. Les chercheurs espagnols avec lesquels nous travaillons sont experts sur le sujet." Et ce défi n’est pas le seul à relever pour obtenir un réel ordinateur quantique moléculaire. "Un cristal moléculaire est composé de molécules identiques", rappelle-t-il. Comprendre : le cristal est composé de milliards de milliards de molécules aux caractéristiques similaires, sensibles aux mêmes fréquences. Donc d’un même qubit, démultiplié. "Nous ne pouvons pas faire de calculs avec un seul qubit", rappelle le chimiste.
La solution : fabriquer une même molécule contenant au moins deux atomes de nickel sensibles à des fréquences différentes. "Cela nous permettrait de manipuler chaque qubit sur une fréquence différente et donc de réaliser des opérations, note Talal Mallah. C’est un défi car les molécules n’aiment pas être dissymétriques."
Par chance (ou par anticipation) les chercheurs avaient déjà développé un cristal de ce type… en 2017. "Nous avons formulé un composé bi-nickel présentant toutes les caractéristiques que l’on cherche, affirme le scientifique. Potentiellement, cette molécule a toutes les propriétés nécessaires pour réaliser des calculs quantiques." Problème : les appareils de mesure actuels ne sont pas compatibles avec les fréquences du matériau. Impossible, donc, d’en vérifier les propriétés. Pour l’instant.
