Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien est un spin d'électron, son minuscule moment magnétique. Pour que l'orchestre joue en harmonie, le chef doit entendre chaque musicien séparément. Mais dans le germanium — un matériau prometteur pour les puces quantiques — les musiciens jouent presque à l'unisson : les spins des électrons sont à peine séparés en énergie. Le chef ne peut pas distinguer une voix individuelle, et il est impossible de contrôler le bit quantique.
Les physiciens ont longtemps cherché à comprendre pourquoi le germanium se comporte si discrètement. Il s'avère que c'est une question de tension du cristal. Dans les dispositifs actuels, le germanium est comprimé pour mieux s'adapter aux couches adjacentes. La compression étouffe la séparation souhaitée : les spins des électrons ne se distinguent plus, comme des cordes trop peu tendues. Les auteurs de l'étude ont proposé l'inverse : étirer le germanium. Alors la séparation augmente des centaines de fois, et chaque spin chante distinctement.
Les calculs montrent que dans le germanium étiré, les opérations quantiques peuvent être effectuées en quelques centaines de nanosecondes — plus rapidement que dans de nombreux autres matériaux. Et la technologie pour faire croître de telles couches existe déjà, donc de nouveaux dispositifs peuvent être fabriqués avec l'équipement actuel. Cela ouvre la voie à des bits quantiques basés sur les spins des électrons dans le germanium — fiables, rapides et compatibles avec l'électronique conventionnelle.
Désormais, le chef peut entendre chaque musicien : le germanium étiré produit des notes claires et distinctes. L'orchestre des spins quantiques s'apprête à jouer sa première symphonie.
Le germanium est un proche parent du silicium, dont sont faits presque tous les circuits intégrés. Mais contrairement au silicium, les électrons se déplacent plus rapidement dans le germanium, c'est pourquoi on l'envisage pour les futurs transistors à haute vitesse et les dispositifs quantiques.
Dans le roman « Quarantaine » de Greg Egan, les ordinateurs quantiques à base de spins sont contrôlés par la tension du réseau cristallin — exactement ce que proposent les auteurs de l'étude.