Après les qubits supraconducteurs de chat, ceux à base d’atomes froids, d’ions piégés ou de photons uniques, un nouveau type de bit quantique fait son apparition : le qubit nanomécanique. Développé par le laboratoire CNRS Ondes et Matière d’Aquitaine, il aurait l'avantage d'être plus résistant à la décohérence que ses alternatives.
L'approche se base sur les oscillations d'un nanotube de carbone – que l’on peut se représenter comme un élastique de quelques microns de longueur – pour représenter un état quantique : 0, 1, ou une superposition cohérente de deux états. Il servirait ainsi d’unité de base d’un calculateur quantique capable d’effectuer des calculs, comme le sont les transistors dans un ordinateur conventionnel.
Briser l'harmonie
«Les oscillateurs mécaniques peuvent avoir des temps de vie très longs, présente Fabio Pistolesi, directeur de recherche au laboratoire CNRS Ondes et Matière d’Aquitaine (LOMA) et premier auteur de la publication parue dans Physical Review X. Si vous poussez une balançoire, elle va faire quelques dizaines d’oscillations. Un système nanomécanique bien isolé en fera plusieurs millions. »
Cette propriété représente « ce que l’on cherche en mécanique quantique », pour le physicien. «Isolé, le système ne perd pas son énergie, il conserve son état, détaille-t-il. A priori, il est donc possible d’utiliser l’amplitude des oscillations pour stocker de l’information quantique. »
Reste un défi de taille : mesurer cette amplitude. Une donnée que les chercheurs ne peuvent obtenir qu'en mesurant la fréquence de l'oscillateur. Une gageure, pour Fabio Pistolesi. «La périodicité des oscillations ne dépend pas de leur amplitude, on dit qu'elles sont harmoniques », explique-t-il. Ainsi, un pendule passe au centre à la même fréquence, quelle que soit la hauteur depuis laquelle il est lâché. «Si la fréquence ne change pas, il est très difficile de détecter l’amplitude ou de manipuler l'état de l'oscillateur », ajoute le chercheur.
Il faut donc créer un système anharmonique. «Cela peut être faisable à grande échelle, mais nous ne voulons pas un oscillateur d’un mètre : il doit être à l’échelle du nanomètre », rappelle le physicien. La solution : introduire un point quantique dans le système, qui va piéger un électron sur le nanotube. « La présence de cet électron créé la non-linéarité », affirme-il.
Place à la pratique
Ainsi, les chercheurs sont en mesure de détecter l’état d’amplitude du qubit à travers sa fréquence. «L’état d’amplitude minimal de l’oscillateur correspond au zéro. Le premier état excité, d’une énergie très légèrement supérieure, correspond au un, explique Fabio Pistolesi. Nous pouvons aussi générer un état de superposition de ces deux états, qui correspond à d’autres états d’oscillation.»
Plus encore, ce système pourrait aussi faire office de capteur de force extrêmement précis. « Si vous poussez un oscillateur, il se déplace, explique-t-il. En mesurant le déplacement, vous pouvez mesurer la force qui lui a été appliquée. »De quoi mesurer d'infimes variations d'accélération, de gravité, mais aussi dans des champs magnétiques ou électriques.
Au-delà du fonctionnement basique de ce qubit, les chercheurs ont défini comment modifier et lire l’information qu’il stocke, mais aussi montré qu’un couplage était possible entre plusieurs d’entre eux. En théorie. «Dans cette publication, nous démontrons que ce qubit est faisable, pose le scientifique. Pour l’instant, cela reste un résultat théorique. Nous travaillons activement à sa réalisation. »
Mais la fabrication d’un tel dispositif est complexe. «De rares groupes de recherche au monde ont la technologie suffisante », estime-t-il. L’équipe qui collabore avec Fabio Pistolesi fait pousser les nanotubes de carbone directement sur le dispositif électronique permettant de les contrôler. Maîtriser cette technique constitue un nouveau défi, qu’il faudra relever avant de faire des calculs avec cette nouvelle famille de qubits.
