qubits semiconducteurs

Un piège minuscule pour charges isolées, le point quantique, sait retenir un seul trou. Mais il suffit que la charge tremble à l'interface du matériau pour que le trou se mette à vaciller dans son piège. Les ingénieurs ont trouvé comment apaiser cette charge frémissante : remplacer l'escalier raide par un doux plan incliné.

Une fine couche d'arséniure d'indium est cachée sous un film supraconducteur, comme une voix sous le bruit d'une foule. Dans un tel hybride, le courant suit le chemin de moindre résistance et circule presque entièrement dans le métal, de sorte que le semi-conducteur reste inaudible pour les instruments ordinaires.

Un bateau en bouteille ne se monte pas de l'extérieur, mais de l'intérieur : on fait passer les mâts et les voiles par le goulot étroit, et une fois à l'intérieur du verre, ils se redressent d'eux-mêmes dans la bonne position.

Dans une pièce silencieuse, sans le moindre aimant, deux électrons piégés dans du silicium ressentent quand même un léger frémissement. Il est créé par les noyaux des atomes de silicium et de germanium, qui tournent de manière chaotique, comme les aiguilles de boussoles cassées.

Une échelle dont les barreaux sont de minuscules aimants. Si les aimants voisins pointent dans des directions opposées, l'échelle est « calme ». Mais si on les force à pointer dans la même direction, toute la structure s'aimante et devient « têtue ».

Un ordinateur quantique n'est pas simplement un ensemble de qubits, mais une véritable ville où chaque habitant est l'un des états possibles de la machine. Les habitants se rencontrent grâce aux faibles interactions entre qubits : si un état peut se transformer en un autre, un fil de connaissance se tisse entre eux.

Un pont où piétons et cyclistes circulent dans le même flux sans se gêner. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les systèmes hybrides associant supraconducteurs et semi-conducteurs : les uns transportent le courant sans perte, les autres contrôlent ce courant.

Dans le monde des particules quantiques, il y a des « introvertis » : les anyons. Ils ne ressemblent pas aux électrons ou aux protons habituels. Si l'on échange deux de ces « introvertis », ils se souviennent de cette manœuvre, comme s'ils laissaient une trace invisible.

Un mince fil d'argent long comme un cheveu, et pourtant, les lois quantiques pures y règnent. Des physiciens ont construit un conducteur où les électrons ne peuvent se déplacer que vers l'avant ou vers l'arrière, comme sur une route à voie unique parfaitement droite, sans accotement.

À basse température, de nombreux matériaux deviennent supraconducteurs : le courant circule sans résistance. Mais comment cela se produit-il si les électrons étaient d'abord piégés dans un isolant ?

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien-qubit se dérègle facilement. Le moindre bruit, et la mélodie du calcul se transforme en cacophonie. Pour que l'orchestre joue en harmonie, il faut un chef qui repère instantanément les fausses notes et les corrige sans interrompre l'exécution. C'est exactement le rôle des codes de correction d'erreurs.

Un fil quantique ressemble à une autoroute où les électrons circulent en flot dense. Chacun possède sa propre rotation, le spin, et jusqu'ici on pensait qu'il était presque impossible de séparer ce flux en deux voies, pour les spins « gauche » et « droit », sans perdre l'ordre quantique. Il fallait soit de puissants aimants, soit des astuces complexes avec perte d'énergie.

Dans un solide, les électrons sont généralement soit libres de se déplacer (métal), soit piégés sur place (isolant). Mais parfois, une forte répulsion mutuelle les enferme dans un état intermédiaire : les charges restent figées, tandis que les spins – ces petites aiguilles magnétiques – continuent de vivre leur vie.

Les matériaux électroluminescents à base de molécules organiques ressemblent à un carrefour animé sans feu de signalisation. Les molécules reçoivent de l'énergie, mais au lieu de la restituer honnêtement sous forme de lumière, elles s'engagent souvent dans des impasses : elles forment des paires sombres (des exciplexes — des complexes de courte durée de vie sans émission) ou entrent en…

Pendant longtemps, identifier les phases quantiques ressemblait à un interrogatoire : il fallait explorer chaque recoin du système pour en soutirer le secret. À l'époque de Lev Landau, l'ordre était lié à la brisure de symétrie et à un paramètre local — tout était clair comme de l'eau de roche.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien doit entrer sur la bonne note. Si l'un d'eux joue faux, la mélodie se désaccorde. Les musiciens sont les qubits, qui stockent l'information.

Les qubits supraconducteurs sont le cœur battant des ordinateurs quantiques, mais leur rythme est perturbé par la décohérence : la quantique se dissout dans le bruit.

Une cellule vivante émet en permanence de faibles signaux magnétiques, comme des murmures. Les scientifiques écoutent ces murmures avec deux « micros » microscopiques – des capteurs de champ magnétique.

Créer un nœud de réseau quantique, c'est un peu comme apprendre à un danseur à tenir en équilibre sur un fil de carbone au-dessus d'un gouffre. Une jambe doit se détacher facilement du support, lançant des photons-messagers vers le monde extérieur.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien doit jouer sa partition sans se tromper. Les musiciens sont les qubits, porteurs d'information quantique. Pour que l'orchestre joue en harmonie, il faut des qubits fiables, contrôlables et peu sensibles aux perturbations.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien — le qubit — doit jouer sa partition avec précision et en rythme. Habituellement, on installe les musiciens à des places fixes et on les relie par des pupitres-câbles.

Deux pendules sont suspendus à une même barre. Une impulsion – et ils se mettent à osciller, se synchronisant puis se désynchronisant progressivement. Dans un qubit topologique, les particules de Majorana – des excitations particulières capables de stocker de l'information quantique – jouent le rôle de ces pendules.

Un piège invisible fait de lumière laser a retenu 11 000 atomes, un nombre record pour l'ingénierie quantique. Auparavant, les physiciens ne manipulaient que des dizaines de ces particules ; désormais, on compte par milliers.

Trois cordes de guitare sur un même instrument, mais les chevilles de chacune tournent avec une force différente : l'une cède immédiatement, l'autre tourne difficilement, et la troisième se bloque carrément.

L'ordinateur quantique ressemble à un orchestre : chaque musicien joue sa partition, mais le moindre bruit dans la salle peut déstabiliser tout l'ensemble. Les particules qui stockent l'information perdent facilement leur cohérence à cause des chocs thermiques ou des champs magnétiques errants.

Un supraconducteur conduit le courant sans résistance, comme l'eau qui coule dans un tuyau sans frottement. Le secret réside dans les paires d'électrons : deux électrons s'unissent en une seule entité, bien qu'ils se repoussent habituellement. Dans un supraconducteur ordinaire, les spins des électrons d'une paire pointent dans des directions opposées — c'est l'état singulet.

L'atome est comme un chef d'orchestre, et la lumière dans le résonateur, l'orchestre. L'échange d'énergie entre eux, connu sous le nom d'interaction de Jaynes-Cummings (partie du modèle standard), permet à l'atome de modifier le rythme et le timbre des oscillations par des gestes de sa « baguette ».

Les batteries ordinaires perdent leur charge comme un thé qui refroidit. La batterie quantique, elle, fonctionne autrement : son cœur est une minuscule cavité où s'agitent des photons.

Les ordinateurs quantiques dans le cloud ressemblent à un bureau de poste : vous envoyez une lettre, et quelqu'un d'autre lit l'adresse et le contenu. Dans les calculs ordinaires, le serveur voit vos données et votre algorithme.

Les réseaux quantiques ont besoin d'un intermédiaire entre le stockage – le spin – et le transport – la lumière. Aucune molécule unique n'avait réussi à remplir ce rôle. Mais des physiciens viennent de trouver une solution. Ils ont placé une molécule de carbène dans un cristal et l'ont refroidie à -269°C.

Avant d'assembler un immense puzzle, il faut fabriquer les pièces en série – sinon l'image ne se forme pas. Dans les ordinateurs quantiques à fusion, ces pièces sont de minuscules paquets de lumière : les états ressources photoniques. On les fait entrer en collision et on les mesure pour tisser progressivement la trame de calcul.

Retenir un numéro de téléphone alors que tout le monde crie et claque des portes autour de vous est presque impossible. C'est à peu près la vie d'un bit quantique – un qubit – dans un matériau ordinaire : les noyaux des atomes voisins, comme de minuscules aimants, le tirent constamment et effacent l'information. Pour que le qubit n'oublie pas, il faut lui trouver un endroit calme.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien joue sa partition, mais dès qu'un instrument déraille, la mélodie s'effondre. Les erreurs surviennent constamment : à cause des vibrations thermiques, de l'imperfection des instruments.

Un récepteur radio capte une émission à travers les crachotements et les sifflements. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les ordinateurs quantiques actuels : le signal utile se noie dans le bruit. Plus le calcul est long, plus les interférences déforment le résultat.

Un pont d'aluminium de quelques atomes d'épaisseur est le cœur de nombreux dispositifs quantiques. À travers un tel pont, le courant circule sans résistance, et on peut le contrôler par un champ magnétique.

Les rangées de câbles qui s'étirent de la pièce chaude vers le réfrigérateur contenant la puce quantique évoquent un central téléphonique embrouillé du siècle dernier. Chaque qubit exigeait son canal analogique pour un réglage précis, et les câbles apportaient de la chaleur parasite et s'emmêlaient sous les mains.

Deux musiciens dans des pièces différentes jouent la même note. Le son doit être si identique que l'auditeur ne puisse pas dire qui joue. Dans le monde quantique, ce rôle est tenu par les sources de photons uniques — des particules de lumière qui doivent être indiscernables les unes des autres.

Les particules quantiques peuvent franchir les obstacles, un peu comme une balle qui se retrouverait soudain à l'intérieur d'une colline et en ressortirait de l'autre côté. Cet effet tunnel a été expliqué par George Gamow en cherchant à comprendre comment les particules s'échappent du noyau atomique.

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.

Lorsque vous appuyez sur l'interrupteur, la lumière ne s'allume pas immédiatement : il faut du temps aux électrons dans les fils pour « se lancer » et se mettre en mouvement de concert. Dans les métaux et semi-conducteurs ordinaires, le courant monte en puissance progressivement, comme l'eau dans un tuyau quand on ouvre le robinet.