qubit à l'état solide

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.

Le champ magnétique terrestre n'est pas constant : il tremble sous l'effet du vent solaire, des orages lointains, du métro. Pour remarquer ces tremblements, il faut un instrument qui ne tremble pas lui-même. Des physiciens ont assemblé un tel instrument à partir d'atomes d'ytterbium refroidis presque au zéro absolu.

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.

Un atome d'erbium isolé repose sur un substrat d'argent, et son spin — la rotation interne de l'électron — stocke l'information quantique. Auparavant, pour inverser ce spin, il fallait une impulsion magnétique : un outil grossier qui affecte les voisins et fonctionne lentement.

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.

Au cœur de l'ordinateur quantique du futur pourrait se trouver une minuscule molécule organique en forme de triangle. Elle possède deux électrons « en trop » qui ne trouvent pas de partenaire. Ces molécules sont appelées diradicaux, et leurs électrons sont capables de stocker l'information d'une manière particulière, quantique.

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.

Au cœur d'un cristal de diamant parsemé de centres NV sommeille une symphonie. Chaque défaut est comme un diapason, prêt à répondre à une onde acoustique qui passe. Mais isolément, leurs voix sont à peine audibles : le couplage spin-phonon est plus faible qu'un murmure. Il faut un maestro capable de transformer de timides oscillations en un chœur puissant.

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.

Dans le monde des atomes et des particules, tout tend vers le repos : les particules perdent de l'énergie, comme une balançoire qui ralentit à cause de la perte d'énergie (c'est-à-dire le frottement). Mais de nombreux appareils, des masers à hydrogène aux horloges atomiques, vivent grâce à des cycles répétitifs.

Dans le carbone diamant, comme dans tout cristal, on trouve des défauts — des lacunes ou des atomes étrangers. Lorsqu'ils capturent un électron, ils émettent de la lumière ou s'aimantent, ce qui est précieux pour les dispositifs quantiques.

Dans les dispositifs quantiques à base de diamant, il existe un minuscule défaut : le centre azote-lacune (un atome d'azote plus une lacune à la place d'un atome de carbone). Il fonctionne comme un interrupteur qui bascule spontanément d'un état à l'autre : il peut porter un électron supplémentaire ou non, et selon cela, il émet ou non de la lumière.

Un pendule ordinaire oscille à la même fréquence que celle à laquelle on le pousse. Mais dans le monde quantique, on peut créer un système qui répond à une impulsion deux, trois fois ou plus lentement — comme s'il avait son propre rythme. De tels systèmes sont appelés cristaux temporels discrets.

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.

Le bit quantique (qubit) est une construction des plus délicates. La moindre chaleur le détruit, comme une poussée accidentelle renverse un verre en cristal. Pour protéger cette information fragile, des physiciens ont créé une structure quantique tridimensionnelle qui évoque une poupée russe.

Dans une fibre optique, la lumière se propage dans le cœur sans presque s'échapper. Mais en s'approchant tout près, on peut sentir un léger frémissement du champ à la surface : l'onde évanescente.

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 est un spin d'électron, son minuscule moment magnétique. Pour que l'orchestre joue en harmonie, le chef doit entendre chaque musicien séparément.

La vapeur qui s'élève au-dessus d'un métal chaud est un spectacle familier dans nos cuisines. Mais si l'on prend du rubidium au lieu de l'eau, ce nuage se transforme en batterie. Elle ne fonctionne pas par réactions chimiques, mais par la coordination quantique des atomes.

La lumière peut servir de messager pour transporter des messages secrets. Mais pour que le messager ne perde aucune lettre, il faut l'accueillir et le vérifier très rapidement. La nouvelle puce en fine couche de niobate de lithium agit comme un tourniquet qui s'ouvre et se ferme en quelques milliardièmes de seconde, laissant passer les impulsions lumineuses au bon moment.

Dans une pièce sombre, une lampe invisible clignote. Sa lumière n'est pas ordinaire : elle n'a pas de luminosité constante, seulement des impulsions rares mais puissantes. C'est un vide comprimé brillant — un état de la lumière sans onde ordinaire, mais avec de fortes fluctuations quantiques.

Une toupie lancée sur une surface parfaite tombe au moindre frémissement. De même, un bit quantique créé sur un défaut dans un diamant voit son état détruit par le désordre magnétique des impuretés et par les perturbations externes.

À l'intérieur d'une étoile en explosion, les neutrinos filent si nombreux qu'ils commencent à s'influencer mutuellement. Leurs états quantiques s'entremêlent, comme des fils dans un écheveau serré où l'on ne distingue plus à qui appartient chaque brin.

Dans le réseau cristallin du diamant, on trouve parfois des défauts : un atome d'azote prend la place d'un autre, et à côté, un vide subsiste. Ce défaut se transforme en boussole de diamant ultra-sensible — son aiguille magnétique tremble au moindre champ externe.

Des physiciens ont pris 28 toupies quantiques — des particules dotées d'une rotation propre — et ont lancé sur un ordinateur quantique Richard Feynman un processus cyclique prédit par Werner Heisenberg il y a près de cent ans. Au début, chaque toupie tournait n'importe comment.

La soudure classique ne convient pas aux circuits quantiques : lorsqu'on refroidit à la température de l'hélium liquide, le métal se fissure, et les contacts eux-mêmes introduisent du bruit.

Une corde tressée à partir d'une centaine de fils courts peut être torsadée vers la droite ou vers la gauche. Chaque fil pris individuellement ne sait pas dans quel sens la corde est torsadée, mais essayez de la détresser – et la différence apparaît immédiatement.

Un aimant de réfrigérateur attire un trombone — on sent ce champ avec les mains. Maintenant, réduisez ce champ d'un facteur un milliard. De tels signaux faibles sont émis par les atomes de notre corps, et ils sont très difficiles à capter. Les scientifiques ont assemblé un capteur à partir de molécules spéciales qui se comportent elles-mêmes comme de minuscules aimants.

La lumière pénètre dans une minuscule cavité aux parois miroirs et atteint un atome d'erbium caché dans un cristal. L'atome absorbe la lumière et fait basculer son noyau dans un autre état — comme un interrupteur qui clique sous la pression. Mais cet interrupteur n'est pas ordinaire : il obéit aux lois du monde quantique et peut se trouver dans deux positions à la fois.

Le silicium est comme un bloc de construction universel : on en fait les puces de nos téléphones, les panneaux solaires et les lasers. Mais si on le comprime avec une force énorme, les atomes se réorganisent en de nouveaux motifs – on appelle ces formes des allotropes.

Un bit quantique, c'est comme une toupie qui doit tourner longtemps sans vaciller. Dans le germanium, on a appris à lancer ces toupies, mais le sol tremble toujours autour : les interférences électriques perturbent la rotation.

Un cristal qui, à l'intérieur, ressemble à une éponge avec un labyrinthe de pores, s'est avéré capable d'effectuer des calculs. Le matériau nommé DUT-8 est constitué de nœuds métalliques et de ponts organiques formant une structure ajourée. Sous l'effet de différents gaz, cette structure change légèrement de forme — comme un château de cartes qui se réorganise sous une légère brise.

L'ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien doit jouer en parfaite harmonie. Si un seul instrument joue faux, la mélodie s'effondre. Les qubits supraconducteurs jouent le rôle de ces musiciens, et leur « fausse note » est la perte de cohérence quantique.

Trois atomes d'ytterbium chargés sont disposés en triangle à l'intérieur d'un piège électromagnétique. Normalement, ils communiquent tous entre eux, comme trois personnes autour d'une table qui échangent constamment des répliques. Mais si l'un d'eux sort dans la pièce voisine, la conversation continue entre les deux autres.

Dans un cristal de carbure de silicium, semblable à une pierre transparente, se cachent des défauts — des endroits où les atomes ne sont pas alignés. L'un de ces défauts fonctionne comme un nœud quantique : l'électron à l'intérieur tourne et traite l'information, tandis que le noyau de l'atome voisin la stocke discrètement.

Sur une plaquette de silicium, semblable à un quartier de ville, les qubits — des électrons avec leur spin — vivent dans des « maisons » séparées. Autrefois, les voisins ne communiquaient que par-dessus la clôture, mais désormais une route a été tracée entre eux : le qubit peut se déplacer jusqu'à l'une des quatre stations.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où les électrons et les noyaux jouent d'instruments différents. D'habitude, le chef a besoin de deux baguettes : les micro-ondes pour les électrons et les ondes radio pour les noyaux.