Déjà douze ans de recherche. Et encore au moins dix supplémentaires. Le laboratoire fédéral suisse d'essai des matériaux et de recherche (EMPA) a obtenu début février un financement de la fondation Werner Siemens de 15 millions de francs suisses (14,3 millions d’euros), sur dix ans, pour son projet CarboQuant. Celui-ci vise à développer des qubits sous forme de nanorubans de graphène. Une approche prometteuse, qui pourrait à terme permettre de développer des processeurs quantiques sur silicium fonctionnant à température ambiante.
Ce nanomatériau artificiel est composé d’atomes de carbone. Il prend la forme d’un ruban de l’épaisseur d’un unique atome, dont la largeur et la géométrie définissent les propriétés. « Le graphène n’est ni un conducteur ni un isolant, il est les deux à la fois, précise Oliver Gröning, coordinateur du projet CarboQuant. Selon la manière dont nous formons sa structure, nous pouvons en faire un isolant, un semi-conducteur ou un métal. »
Ces propriétés modulables ont d’abord intéressé les scientifiques pour fabriquer des transistors infiniment petits, en réponse à la loi de Moore. « Puis nous avons réalisé que nous pouvions maîtriser les propriétés magnétiques, le spin, des électrons qui composent le matériau, relate le scientifique. Ainsi, au lieu d’utiliser les flux d’électrons pour stocker de l’information, nous pouvons utiliser leur état magnétique – ce qui demande beaucoup moins d’énergie. » En maîtrisant le spin des électrons présents dans leur matériau, les chercheurs s’ouvrent à un autre domaine : l’informatique quantique.
Caméra de précision atomique
Pour fabriquer leurs rubans, les scientifiques de l’EMPA synthétisent des molécules de graphène qui, « comme des wagons de train, ont des points de connexion à chaque extrémité », illustre Oliver Gröning. Disposées sur une surface d’or – un matériau « très plat et très propre » qui leur permet de se déplacer librement – elles se lient d’elles-mêmes les unes aux autres. « En définissant la forme de la molécule et la position de ses points d’attache, nous définissons la forme du ruban », explique le scientifique.
D’un simple ruban rectangulaire, les chercheurs font évoluer sa géométrie pour apporter de nouvelles propriétés à leur matériau. Ils s’intéressent notamment à une forme composée de plusieurs triangles connectés les uns aux autres. Dans lequel chaque triangle possède un état magnétique propre… qui en fait un qubit. « Grâce aux règles de la mécanique quantique, 12 qubits permettent d’avoir plus de 2 700 000 configurations magnétiques différentes », chiffre Oliver Gröning.
« Nous avons un contrôle de précision atomique sur les structures que nous créons, continue-t-il. Nous pouvons définir l’état magnétique de chaque qubit et l’intensité de ses interactions avec ses voisins. » Les dix prochaines années s’intéresseront à l’étape suivante : manipuler ces états magnétiques, donc quantiques, pour faire des calculs. Pour cela, l’équipe de CarboQuant fait face à deux défis : observer l’évolution des structures dans le temps, puis les intégrer sur des dispositifs de contrôle.
Il leur faudra donc transformer leur microscope à balayage à effet tunnel – capable de photographier des atomes – en une caméra de précision atomique, capable de filmer à l'échelle d'un atome. « C’est assez complexe, mais c’est ce qui nous permettra de comprendre quelles sont les propriétés dynamiques de nos structures », affirme Oliver Gröning. Ils devront ensuite sortir leurs rubans de l’environnement ultra-protégé de leur laboratoire, une chambre à vide, pour « les intégrer sur un genre de dispositif électronique classique sur silicium à très petite échelle », envisage le scientifique.
-195 degrés... seulement !
De là, les scientifiques pourront espérer fabriquer un processeur quantique basé sur leur technologie. Avec un potentiel avantage : alors que les qubits supraconducteurs fonctionnent à des températures extrêmement basses – plus froides que le vide intersidéral – pour se protéger des interférences, le nanomatériau suisse pourrait « s’avérer assez résistant, anticipe Oliver Gröning. Ce qui peut lui permettre de fonctionner à une température supérieure. »
D’ici à dix ans, les chercheurs espèrent démontrer que leur matériau permet de créer des qubits manipulables à température ambiante ou, à défaut, à celle du nitrogène liquide : environ -195,8° Celsius. Si cela parait froid, c’est une température aisément accessible avec des cryostats du commerce. Et c’est plus de 75°C gagnés par rapport aux installations ultra-sophistiquées de refroidissement que requièrent les calculateurs quantiques d'IBM et Google.
