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Physique quantique

par Michel Vonlanthen HB9AFO

 

 

 

Ordinateurs quantiques

 

  • Stocke des Qbits, "bits quantiques" qui peuvent prendre une infinité d'états
     

  • L'état d'un  Qbit ne reste stable que quelques microsecondes ce qui introduit des erreurs ou du "bruit" dans les calculs, donc des imprécisions

  • La machine doit être refroidie à -273 degrés afin que les qbits soient isolés du monde extérieurs afin qu'ils ne se modifient pas accidentellement.

  • Elle doit être protégée des interférences magnétiques pour la même raison

  • Fin 2021, IBM dévoilait un ordinateurs avec 127 Qbits et espère arriver à 433 en 2022 et 1121 en 2023.

  • Un ordinateur quantique opérationnel n'est attendu que pour les années 2030

Questions:

  • En fait de "quantique", ne serait-ce pas simplement un bit qui peut prendre un grands nombre d'états par exemple en modifiant son spin?
     

  • Qu'y a-t-il de quantique là dedans?

Bases de la physique quantique

 

  1. Superposition quantique:
    Dans l'infiniment petit, il existes des particules qui n'ont pas d'état défini mais qui en prennent un lorsqu'on les mesure. On pourrait dire qu'avant la mesure, la particule possède tous les états possibles superposés. Mais lorsqu'on la mesurée, il y a effondrement quantique et la particule redevient normale, "0" ou "1".

    QUESTION:  Comment sait-on que la particule a tous les états superposés puisqu'on ne peut pas la mesurer sans la modifier?
     

  2. L'intrication quantique:
    On prend un particule sans spin. Elle se désintègre en 2 particules quantiques qui peuvent avoir chacune un spin. On sépare les 2 particules de plusieurs kilomètres. On mesure le spin de la première et immédiatement après celui de la deuxième. On trouve un spin UP pour la première et DOWN pour la seconde. 
    On pourra mesurer le spin des 2 particules. Si la première est UP, la seconde sera toujours DOWN.

    QUESTION: Comment crée-t-on des particules quantiques?

    Comment peuvent-elles communiquer? En fait elles ne communiquent pas, elles constituent un seul et unique système, bien que séparées. Leur état change plus vite que la lumière parce qu'en fait il n'y a pas de communication.
     

  3. Dans un ordinateur quantique, les Qbits n'ont pas que 2 états possibles, ils en ont une infinité. C'est pour ça qu'ils peuvent calculer plus vite parce qu'ils peuvent obtenir d'un seul coup tous les états possibles.
     

  4. Un ordinateur quantique à 4 qbits va calculer 16 fois plus rapidement qu’un ordinateur classique à 4 bits, et ainsi de suite. On double la puissance d’un ordinateur quantique à chaque fois qu’on lui ajoute un qbit !
     

  5. Pour un bit classique, on a soit alpha =0 et béta = 0 (c’est l’état 0), soit alpha = 0 et béta = 1 (c’est l’état 1). Pour un qbit, ces coefficients (alpha et béta) peuvent prendre n’importe quelle valeur (tant que alpha 2 + béta 2 = 1). Un ordinateur quantique fait varier les coefficients alpha et béta  grâce à des portes quantiques (l’analogue des portes logiques classiques).

    au lieu d’avoir une série de bits indépendants les uns des autres comme dans un ordinateur classique, on les intrique, de sorte à ce que l’ensemble des qbits dans l’ordinateur forme un unique système quantique, et non une série de systèmes isolés.
     

  6. Un des algorithmes quantiques particulièrement prometteurs en informatique quantique est l’algorithme de Grover, qui permet de trouver un élément dans une liste : un numéro de téléphone associé à un nom, le code-barre associé à un produit, ou n’importe quel élément dans un gros jeu de données.

    Imaginez que vous ayez un magasin de peinture qui vende 8 produits différents, chacun doté d’un code-barres :

    • Peinture rouge : 000

    • Peinture jaune : 001

    • Peinture bleue : 010

    • Verte : 011, rose : 100, magenta : 101, marron : 110, noire : 111

    On cherche à savoir quelle est la couleur associée à tel ou tel code-barres de manière automatisée. Évidemment ça paraît absurde tellement le catalogue de peinture est petit, mais imaginez la même situation avec 5000 couleurs et 5000 code-barres !

    Comme les solutions simples ne vous attirent pas, vous décidez de résoudre le problème avec la physique quantique ! Vous créez un ordinateur quantique à 3 qbits, qui se trouvent donc avant toute mesure dans une superposition de 8 états différents, chacun correspondant à une peinture. Autrement dit :

    • Peinture rouge : correspond au coefficient a

    • Peinture jaune : correspond au coefficient b

    • Peinture bleue : correspond au coefficient c

    • Verte : d, rose : e, magenta : f, marron : g, noire : h

    Vous créez aussi un circuit de portes quantiques qui a la caractéristique « d’augmenter » le coefficient associé à la peinture recherchée.

    Une fois l’ordinateur programmé, on lui « envoie » un qbit neutre dont les coefficients sont égaux.

    Après avoir fait plusieurs tours dans le circuit de l’ordinateur, ce qbit va ressortir dans un état superposé, mais avec le coefficient lié à la peinture recherché bien plus élevé que les autres. Lorsque l’on fait une mesure, on peut théoriquement tomber sur n’importe quel état, mais comme le coefficient associé à un état reflète la probabilité de tomber sur cet état lors de la mesure, on tombe avec une quasi-certitude sur le bon état.

    Ainsi les algorithmes quantiques sont souvent probabilistes : ils ne renvoient pas la bonne réponse à coup sûr, mais on peut faire en sorte qu’ils donnent la réponse avec une probabilité très proche de 1.
     

  7. Une porte quantique permet de modifier l’état d’un qbit, tout comme une porte logique classique modifie l’état d’un bit. Pour modifier l’état d’un qbit, on utilise souvent des ondes électromagnétiques envoyées à une fréquence spécifique.
     

  8. Qu'est-ce qu'un qbit? Comme l’information à traiter est de nature quantique, le support utilisé doit être microscopique. Jusque-là, les scientifiques ont utilisé des noyaux atomiques, des ions, des électrons ou même de simples photons.
     

  9. Faire en sorte que les qbits gardent leurs propriétés quantiques malgré leur manipulation via les portes quantiques est très délicat : c’est surtout sur ces problématiques que les scientifiques travaillent actuellement. Le prix Nobel de physique 2012 a été décerné aux chercheurs qui ont réussi à faire des mesures sur des objets quantiques sans les détruire, ouvrant de nouvelles possibilités pour l’informatique quantique.
     

Sources:

 

 

Article d'Olaf

 

20230725_Technologie quantique: Maîtres des défauts

 

Dübendorf, St. Gallen und Thun, 25.07.2023 - Bruno Schuler lance un projet de recherche ambitieux avec sa jeune équipe : il va créer des défauts ciblés dans des couches de semi-conducteurs de la taille d'un atome et tenter de mesurer et de contrôler leurs propriétés quantiques avec une résolution temporelle de l'ordre de la picoseconde, tout en étant précis à l'atome près. Il devrait en résulter des connaissances fondamentales pour les futurs ordinateurs quantiques.

 

Article complet: https://www.admin.ch/gov/fr/accueil/documentation/communiques.msg-id-96892.html

 

 

Le terme de bisulfure de molybdène est peut-être familier à certains automobilistes et mécaniciens. Rien d'étonnant à cela : cette substance, découverte par le chimiste américain Alfred Sonntag dans les années 1940, est encore utilisée aujourd'hui comme lubrifiant haute performance dans les moteurs et les turbines, mais aussi pour les boulons et les vis. Cela est dû à la structure chimique particulière de ce solide, dont les différentes couches de matériau peuvent facilement coulisser les unes sur aux autres. Le bisulfure de molybdène (MoS2 chimique) ne fait pas que bien lubrifier, il est également possible d'exfolier une seule couche atomique de ce matériau ou de la faire croître synthétiquement à l'échelle d'une plaquette. L'isolation contrôlée d'une monocouche de MoS2 n'a été réalisée qu'il y a quelques années, mais elle est déjà considérée comme une percée dans la science des matériaux avec un énorme potentiel technologique. C'est précisément avec cette classe de matériaux que l'équipe de l'Empa veut maintenant travailler.

Sa structure stratifiée en couches atomiques individuelles rend cette substance intéressante pour les physiciens à la recherche de matériaux de base pour les nano-ordinateurs de la prochaine génération. Le MoS2 - et ses parents chimiques, appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMD) - est l'un des sujets les plus "chauds" dans toute une série de matériaux bidimensionnels (2D). Les TMD sont des semi-conducteurs 2D et ont une bande interdite directe, mais uniquement lorsqu'ils sont en monocouche, ce qui les rend particulièrement intéressants pour les circuits électroniques miniaturisés ultimes ou les détecteurs optiques. Les propriétés mécaniques quantiques robustes des matériaux 2D font également l'objet de recherches intensives pour une utilisation dans la métrologie quantique, la cryptographie quantique et la technologie de l'information quantique.

Ce n'est pas seulement le matériau de base qui compte, mais aussi et surtout la gestion des défauts : Comme pour le dopage des semi-conducteurs "classiques" dans les circuits intégrés ou les ions étrangers dans les lasers à l'état solide, les défauts atomiques sont la partie intéressante, en particulier pour les matériaux 2D, selon Bruno Schuler.

 

 

Des ordinateurs quantiques ultra-minces ?

 

Le chercheur de l'Empa veut caractériser les défauts atomiques dans les TMD à l'aide d'un instrument de mesure d'un nouveau genre et étudier leur aptitude à servir d'émetteurs quantiques. Les émetteurs quantiques constituent l'interface entre deux mondes : le spin de l'électron - le pendant du couple de l'électron en mécanique quantique - qui se prête au traitement de l'information quantique, et les photons, c'est-à-dire les particules de lumière, à l'aide desquels on peut transmettre des informations quantiques sur de longues distances sans perte. Les matériaux 2D présentent le grand avantage que les échelles d'énergie pertinentes sont beaucoup plus grandes que pour les matériaux 3D, de sorte qu'il sera probablement possible d'utiliser cette technologie au-dessus d'un environnement cryogénique - idéalement même à température ambiante. De plus, les défauts se trouvent obligatoirement à la surface du matériau 2D, ce qui les rend beaucoup plus faciles à repérer et à manipuler.

Mais il s'agit d'abord de repérer les défauts dans la couche bidimensionnelle de MoS2 et d'étudier avec précision ses propriétés électroniques et optiques. Précis, cela signifie dans ce cas que l'endroit étudié est exploré à un angström près. A titre de comparaison, 1 angström correspond à un mètre, comme 4 cm à la distance Terre-Lune (400'000 km). Et l'instantané qui enregistre l'excitation électronique du point quantique doit être précis à une picoseconde (ps) près - 1 ps est une fraction de seconde aussi petite que 2 jours par rapport à l'âge de la planète Terre (5 milliards d'années). Ces mesures ultracourtes et précises à l'échelle atomique fournissent alors une image très détaillée des processus dynamiques qui se déroulent à l'échelle atomique et de ce qui influence ces processus.

 

 

Un appareil composé de deux moitiés

 

L'appareillage dans lequel les expériences doivent avoir lieu se trouve déjà dans une pièce au sous-sol du bâtiment des laboratoires de l'Empa à Dübendorf - là où le sol est le plus stable mécaniquement. "Nous avons investi plus d'un an et demi de préparation et de développement pour finaliser notre montage expérimental", explique Bruno Schuler. "En octobre 2022, nous avons relié les deux moitiés de notre installation et avons pu mesurer pour la première fois des courants induits par des ondes lumineuses. Le principe fonctionne ! C'est une énorme étape dans le projet".

Les deux moitiés avec lesquelles l'équipe de Bruno Schuler va maintenant travailler sont d'une part un microscope à effet tunnel (STM). La surface atomique de l'objet d'expérience est scannée à l'aide d'une pointe ultrafine. Les scientifiques positionnent la pointe pour l'expérience à un endroit défectueux, c'est-à-dire un défaut ou un atome "étranger" dans la structure.

C'est alors que la deuxième moitié de l'installation, mise en place par le collègue de Bruno Schuler Jonas Allerbeck, entre en action : Un laser infrarouge de 50 watts envoie des impulsions laser ultracourtes sur un cristal de niobate de lithium optiquement non linéaire. Cela permet de générer une impulsion électromagnétique stable en phase dans la gamme de fréquences des térahertz. Cette impulsion a la particularité de ne durer qu'une seule oscillation lumineuse et, grâce à une optique spéciale, elle peut être divisée en une paire d'impulsions d'excitation et de balayage - qui se succèdent toutes deux avec un délai variable et permettent de mesurer la dynamique des électrons de manière stroboscopique.

 

 

Un électron "saute" sur le défaut

 

Les deux impulsions sont alors envoyées dans le STM et dirigées vers la pointe de l'échantillon. La première impulsion détache un électron de la pointe, qui "rebondit" sur le défaut de la couche bidimensionnelle de MoS2 et y déclenche une excitation électronique. "Il peut s'agir soit d'une charge électrique, d'une excitation de spin, d'une oscillation du réseau ou d'une paire électron-trou que nous créons à cet endroit", explique Bruno Schuler. "Avec la deuxième impulsion, nous regardons ensuite quelques picosecondes plus tard comment notre défaut a réagi à l'impulsion d'excitation, et nous pouvons ainsi étudier les processus de décohérence et le transfert d'énergie dans le matériau support".

Bruno Schuler est ainsi l'un des rares spécialistes au monde à combiner une résolution temporelle picoseconde avec une méthode capable de "voir" les atomes individuels. Pour ce faire, l'équipe utilise la localisation intrinsèque des états dans le système de matériaux 2D afin de retenir les excitations plus longtemps au même endroit. "Le microscope à balayage ultra-rapide à ondes lumineuses nous ouvre de nouvelles perspectives fascinantes sur les processus de la mécanique quantique à l'échelle atomique, et les matériaux 2D constituent une plate-forme matérielle unique pour générer ces états de manière contrôlée", explique le chercheur de l'Empa.

20230806_Exposé de Julien Bobroff (1h30)

 

Sur la physique quantique

 

https://www.youtube.com/watch?v=SA1uzOa7K2c

www.infinisciences.org
 

 

Notes prises au fil de l'exposé

Calcul avec ordinateur quantique: 3 minutes.
Même calcul avec super ordinateur classique: 10'000 ans.

Physique quantique = loi de la physique à toute petite échelle.
Si on regarde un électron ou un photon, de nouvelles propriétés apparaissent. Nous sommes au niveau d'un atome.

On sait la calculer, la prédire, on la comprend du point de vue scientifique, mais elle reste incompréhensible du point de vue de notre intuition. Elle reste troublante bien qu'on puisse la calculer.

C'est la physique quantique qui permet de comprendre les propriétés de la matière.

Si je saute, normalement je devrais traverser le sol car je suis fait essentiellement de vide, tout comme le sol. Donc normalement, lorsque je saute, je devrais traverser le sol lorsque je retombe. Un atome, c'est 99,9% de vide. C'est la physique quantique qui explique pourquoi je ne traverse pas le sol.

Avant la physique quantique, on croyait que la lumière était une onde. Mais c'est aussi des grains, les photons.

Le charbon et le diamant sont faits des mêmes atomes et pourtant leurs propriété sont totalement différentes. Ce sont les mêmes atomes mais ils ne sont pas reliés de la même manière. C'est la phsique quantique qui permet de comprendre pourquoi les électrons du charbon ne se comportent pas de la même manière que ceux du diamant.

Lorsque de la lumière se pose sur mon pull bleu par exemple, toutes les couleurs sont absorbées par la laine et seule la couleur de mon pull, le bleu, est renvoyée. C'est pour ça qu'on le voit bleu.

Les aimants, on ne les comprend pas sans la quantique. Pourquoi le fer colle à un aimant et pas le cuivre, qui est pourtant aussi un métal? Une fois qu'on a compris le principe, on peut inventer, par exemple une nouvelle lumière, celle du laser ou d'une LED.

Dans une lampe à incandescence, le 95% est perdu en chaleur. La lumière ne représente que 5%. Par contre, dans une LED, le 90% de l'électricité qui l'alimente est transformé en lumière. Chaque électron est transformé en photon. Le transistor a également été invenmté grâce à la physique quantique.

La physique quantique est le dernier champ d'application de la pensée humaine.

Comment alors l'expliquer? D'habitude on commence par le quanta, dont Max Planck a eu l'intuition en 1900. En 1905, Albert Einstein invente la notion de dualité et de photons (effet photo-électrique). En 1911 Nils Bohr propose deux modèles atomiques. Mais la science n'est pas faite que de théoriciens géniaux, elle est faite à 90% de gens qui font une expérience qui donne un résultat inattendu qu'il faut ensuite expliquer. On ne comprend pas que ce qu'on mesure est un truc bizarre. On va donc voir les théoriciens et on échafaude ensemble une nouvelle théorie.


L'expérience la plus importante

Commencée en 1951 dans le Bell Labs aux USA et qui a duré 7 ans. Cette entreprise de téléphonie se pose la question: " comment nos câbles vont-ils survivre dans le temps?". Clint Davisson et Lester Germer étudient la chose. Ils prennent un bout de nickel et le bombardent avec des atomes, des ions, puis avec des électrons. Ils s'aperçoivent alors que les électrons ne pénètrent pas dans le nickel mais rebondissent. Ils se disent alors que ce serait peut-être une façon de voir la forme des atomes. Ils essaient mais ça ne marche pas du tout.

 

 

On chauffe un filament, qui expulse alors des électrons. On les accélère et on concentre le faisceau avec une forte tension positive et on les envoie sur une cible de nickel. Un détecteur est placé de biais en face de la cible et détecte ce qui revient. Il ne comprennent pas ce qui se passe.

 

 

Et puis le labo explose et ils doivent tout recommencer. Et là ils voient que le nickel qui a fondu s'est cristallisé. Les atomes se sont organisés et sont rangés de manière régulière. Ils se disent alors que si le flux d'électrons vise contre les atomes, ils sont réfléchis, et inversément s'ils visent entre les atomes. Or Davisson va à une conférence de Max Born sur la physique quantique à Cambridge où il explique l'intuition du Français Louis de Broglie qui pense que la matière pourrait être une onde. Einstein avait eu la même idée au sujet de la lumière, composée de photons (des grains) qui seraient en même temps des ondes. La matière serait donc aussi une onde. Mais pour qu'on voie la matière sous forme d'une onde, il faut qu'elle soit très petite et pas trop chaude.

 

 

Mac Born explique alors que la courbe de l'expérience de Davisson et Germer n'est pas le rebond des électrons sur les cristaux mais que le flux d'électrons est en réalité une onde, c'est sa définition, et que cette onde se réfracte sur les cristaux. Le problème, c'est que si on observe cette onde, elle se transforme en "grain". Donc tant qu'on ne le regarde pas, le flux est une onde. Dès qu'on le regarde (on le mesure), le flux se bloque et devient un "grain". Qui apparaît dans le flux d'onde mais n'importe où à chaque fois.

Mais alors question "comment savoir que c'est une onde si chaque fois que je veux la mesurer elle se transforme en grain?"

Réponse: par des astuces de mesure. C'est ce qu'on fait en physique quantique.

On fait passer l'onde par deux trous. Comme c'est une onde elle passe par les deux trous à la fois et se remélange en sortie. Lorsqu'on la mesure, on a à chaque fois un point, mais ce point est sur le trajet de l'onde et pas ailleurs, si bien que si on fait un tas de mesures, on fini par reconstituer la forme de l'onde.

On peut même faire passer des molécules par les deux trous, ça marche aussi (jusqu'à un certain point).

Des savants allemands ont alors eu l'idée d'utiliser ce flux d'électrons pour faire un microscope hyper sensible, le microscope électronique, qui permet de "voir" au niveau d'un atome. Ils ont remplacé la lumière du microscope normal par un flux d'électrons, une onde.

Le grand principe de la physique quantique c'est que vous ne pouvez pas la mesurer. Dès que vous le faites, l'onde se fige et vous ne voyez qu'un grain.
 

 

La quantification quantique
Les particules quantiques peuvent avoir des niveaux bien précis mais pas de niveaux intermédiaires.
 

 

La superposition d'états
Une particule quantique peut avoir deux états à la fois, être à deux endroits la fois, avoir deux aimantations différentes à la fois.
 

 

Le chat de Schrödinger


Comme une particule quantique, un chat peut-il être dans 2 états à la fois, mort et vivant? Non. Alors question, quand une particule quantique cesse-t-elle de l'être? Comment un atome peut-il être quantique et un chat pas?

Réponse: lorsqu'il est environné d'autres atomes, qui ont chacun des états différents, il n'arrive pas à se lier avec eux, à s'intriquer. C'est ce qui explique que lorsqu'on tente de mesurer un atome quantique qui a deux états (ou plus) à la fois, l'appareil de mesure, composé lui aussi d'atomes, bloque l'état de l'atome quantique à un point de tous les états possibles et ne montre donc qu'un point.

Donc, dès qu'un objet quantique est environné d'autres objets, il perd sa cohérence et se bloque dans un seul état. Ce blocage dépend du nombre d'objets qui l'environnent. Effet découvert par Serge Haroche, prix Nobel français.

Donc: une particule est une onde tant qu'on ne la regard pas, qu'on n'interagit pas avec elle. Si on le fait, on "tue" l'aspect ondulatoire de la particule. Donc une particule, qui est en deux endroits à la fois, de bloque à un de ces deux endroits lorsqu'on la regarde, elle perd sa cohérence quantique.

Donc on ne pourra jamais faire ça avec un être vivant parce que, pour qu'il soit quantique, il devrait être dans le noir absolu, à une température de zéro absolu et dans l'ultra vide. En gros, l'effet quantique s'arrête à partir de 10 atomes.


L'ordinateur quantique

 

Oui mais comment ça marche?

Un bit c'est un "0"ou un "1" dans l'informatique normale. Dans un ordinateur quantique, les bits s'appelent des qbits et ont simultanément tous les états possibles entre "0" et "1".

Si l'ordinateur a 2 qbits et que j'en rajoute un, je double sa capacité, c'est exponentiel.

L'ordinateur quantique ne peut pas remplacer un ordinateur normal car il ne peut utiliser que certains algorithmes.

Ce qu'il faut:

  • fabriquer des bits quantiques

  • tous les superposer

  • garder le tout longtemps en vie. En fait 100 microsecondes car après c'est la décohérence.

  • lire le résultat à la fin

  • savoir écrire un programme. Langage: celui de la physique quantique (quel est ce langage, exemple)
     

  • problème le plus critique: les erreurs: 1 erreur sur 1000 opérations.
    PC: 1 erreur sur 1 milliard de milliards d'opérations.
    solution: utiliser un FEC. Mais il faut 1000 bits de correction pour 1 bit utile!

    Exemple d'ordinateur; celui de  Google à 53 qbits.

 

 

L'être humain est-il quantique?

oui et non.
Car chacun de ses atomes est quantique mais tous ensemble ils ne peuvent pas l'être (chaleur, lumière et vide, donc décohérence).


Le futur?

Améliorer les cellules photovoltaïques, basées sur des phénomènes quantiques. Idem pour la supraconductivité.


L'intrication

On prend 2 corpuscules et on les intrique (comment?) c'est-à-dire que ces deux particules peuvent être décrites avec la même onde. On sépare les deux particules (qq mètres à qq milliers de km) qui sont alors cohérentes. J'en mesure une ce qui stoppe sa cohérence et montre un état, disons haut. Instantanément l'autre particule montre l'état inverse, ici bas. C'est systématique et répétitif.
 

 

Qu'est-ce qu'une onde?


Onde: https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde

 

Wikipedia: "une onde est un champ, c'est-à-dire une zone de l'espace dont les propriétés sont modifiées".

Moi j'aurais tendance à dire, en parlant de l'onde électro-magnétique, que c'est une énergie qui se propage à distance à la vitesse de la lumière. "Energie" parce que je peux en mesurer la puissance. Je viens de m'acheter d'occase un bolomètre ultra sensible qui permet de mesurer des pico Watts. Mon bolomètre habituel est une thermo résistance dont on mesure l'échauffement provoqué par l'onde à mesurer. Avec le nouveau, c'est une diode dont on a étalonné la détection, raison pour laquelle on peut mesurer de très petites puissances.
 

20230815_Technologie quantique à base de carbone

 

 Dübendorf, St. Gallen und Thun, 15.08.2023 - Les nanorubans de graphène ont des propriétés exceptionnelles qui peuvent être contrôlées avec précision. Les chercheurs de l'Empa, de l'Université de Pékin et de l'Université de Warwick ont réussi pour la première fois à fixer des électrodes sur des nanorubans d'une précision atomique, ouvrant ainsi la voie à une caractérisation précise de ces rubans fascinants et à leur utilisation éventuelle dans la technologie quantique.

La technologie quantique est prometteuse, mais elle laisse aussi perplexe. Au cours des prochaines décennies, elle devrait nous permettre de réaliser diverses percées technologiques : des capteurs plus petits et plus précis, des réseaux de communication hautement sécurisés et des ordinateurs puissants capables de contribuer à la mise au point de nouveaux médicaments et matériaux, de contrôler les marchés financiers et de prédire le temps qu'il fera beaucoup plus rapidement que la technologie informatique actuelle ne l'a jamais fait.

Pour y parvenir, nous avons besoin de matériaux dits quantiques : des substances qui présentent des effets physiques quantiques prononcés. L'un de ces matériaux est le graphène. Cette forme structurelle bidimensionnelle du carbone possède des propriétés physiques inhabituelles, telles qu'une résistance à la traction extraordinairement élevée, une conductivité thermique et électrique, ainsi que certains effets quantiques. Si l'on restreint encore davantage ce matériau déjà bidimensionnel, par exemple en lui donnant une forme de ruban, on obtient toute une série d'effets quantiques contrôlables.

C'est précisément ce que l'équipe de Mickael Perrin exploite dans ses travaux : Depuis plusieurs années, les chercheurs du laboratoire "Transport at Nanoscale Interfaces" de l'Empa, dirigé par Michel Calame, effectuent des recherches sur les nanorubans de graphène sous la direction de Mickael Perrin. "Les nanorubans de graphène sont encore plus fascinants que le graphène lui-même", explique Mickael Perrin. "En variant leur longueur et leur largeur, ainsi que la forme de leurs bords, et en y ajoutant d'autres atomes, on peut leur conférer toutes sortes de propriétés électriques, magnétiques et optiques".

Précision extrême – jusqu'à l'atome

La recherche sur les rubans prometteurs n'est pas facile. Plus le ruban est étroit, plus ses propriétés quantiques sont prononcées, mais il est également plus difficile d'accéder à un seul ruban à la fois. C'est précisément ce qu'il faut faire pour comprendre les caractéristiques uniques et les applications possibles de ce matériau quantique et les distinguer des effets collectifs.  

Dans une nouvelle étude publiée récemment dans la revue Nature Electronics, Mickael Perrin, Jian Zhang et le reste de l'équipe ont réussi pour la première fois à mettre en contact des nanorubans de graphène individuels, longs et précis à l'échelle atomique. Ce n'est pas une mince affaire : "Un nanoruban de graphène large de neuf atomes de carbone ne mesure qu'un nanomètre de largeur", explique Jian Zhang. Pour s'assurer qu'un seul nanoruban est touché, les chercheurs ont utilisé des électrodes de taille similaire : Ils ont utilisé des nanotubes de carbone dont le diamètre ne dépassait pas 1 nanomètre.

La précision est essentielle pour une expérience aussi délicate. Cela commence par les matériaux de base. Les chercheurs ont obtenu les nanorubans de graphène grâce à une collaboration étroite et de longue date avec le laboratoire nanotech@surfaces de l'Empa, dirigé par Roman Fasel. "Roman Fasel et son équipe travaillent depuis longtemps sur les nanorubans de graphène et peuvent en synthétiser de nombreux types différents avec une précision atomique à partir de molécules précurseurs individuelles", explique Mickael Perrin. Les molécules précurseurs proviennent de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères de Mayence.

Comme c'est souvent le cas pour faire progresser l'état de l'art, l'interdisciplinarité est essentielle, et différents groupes de recherche internationaux ont été impliqués, chacun apportant sa propre spécialité : Les nanotubes de carbone ont été créés par un groupe de recherche de l'Université de Pékin et les chercheurs de l'Empa ont collaboré avec des informaticiens de l'Université de Warwick pour interpréter les résultats de l'étude. "Un tel projet ne serait pas possible sans collaboration", souligne Jian Zhang.

La mise en contact de rubans individuels par des nanotubes a représenté un défi considérable pour les chercheurs. "Les nanotubes de carbone et les nanorubans de graphène sont cultivés sur des substrats distincts", explique Jian Zhang. "Tout d'abord, les nanotubes doivent être transférés sur le substrat du dispositif et mis en contact avec des électrodes métalliques. Ensuite, nous les coupons par lithographie à faisceau d'électrons à haute résolution pour les séparer en deux électrodes." Enfin, les rubans sont transférés sur le même substrat. La précision est essentielle : La moindre rotation des substrats peut réduire considérablement la probabilité d'un contact réussi. "L'accès à une infrastructure de haute qualité au centre de nanotechnologie Binnig et Roher d'IBM Research à Rüschlikon était essentiel pour tester et mettre en œuvre cette technologie", explique Mickael Perrin.

Des ordinateurs aux convertisseurs d'énergie

Les scientifiques ont confirmé le succès de leur expérience par des mesures de transport de charge. "Comme les effets quantiques sont généralement plus prononcés à basse température, nous avons effectué les mesures à des températures proches du zéro absolu dans un vide poussé", explique Mickael Perrin. Mais il s'empresse d'ajouter une autre qualité particulièrement prometteuse des nanorubans de graphène : "En raison de la taille extrêmement petite de ces nanorubans, nous nous attendons à ce que leurs effets quantiques soient si robustes qu'ils soient observables même à température ambiante." Selon le chercheur, cela pourrait nous permettre de concevoir et d'utiliser des puces qui exploitent activement les effets quantiques sans avoir besoin d'une infrastructure de refroidissement élaborée.  "Ce projet permet de réaliser des dispositifs nanorubans individuels, non seulement pour étudier les effets quantiques fondamentaux tels que le comportement des électrons et des phonons à l'échelle nanométrique, mais aussi pour utiliser ces effets dans des applications pour les domaines de la commutation quantique, de la détection quantique et de la conversion quantique de l'énergie", ajoute Hatef Sadeghi de l'Université de Warwick, qui a collaboré au projet.

Les nanorubans de graphène ne sont pas encore prêts pour des applications commerciales, et il reste encore beaucoup de recherche à faire. Dans une étude complémentaire, Jian Zhang et Mickael Perrin visent à manipuler différents états quantiques sur un seul nanoruban. En outre, ils prévoient de créer des dispositifs basés sur deux rubans connectés en série, formant ce que l'on appelle un double point quantique. Un tel circuit pourrait servir de qubit - la plus petite unité d'information dans un ordinateur quantique. En outre, Mickael Perrin, dans le cadre de son ERC Starting Grant et d'une bourse professorale Eccellenza du FNS récemment obtenu, prévoit d'explorer l'utilisation des nanorubans en tant que convertisseurs d'énergie à haut rendement. Dans sa « inaugural lecture » à l’ETH Zurich, il dessine le tableau d'un monde dans lequel nous pourrions exploiter l'électricité à partir des différences de température, tout en ne perdant pratiquement pas d'énergie sous forme de chaleur - il s'agirait en effet d'un véritable saut quantique.

Coopération internationale

Plusieurs groupes de recherche ont apporté des contributions importantes à ce projet. Les nanorubans de graphène ont été fabriquées par le laboratoire "nanotech@surfaces" de l'Empa, dirigé par Roman Fasel, sur la base de molécules précurseurs fournies par l'équipe de Klaus Müllen de l'Institut Max-Planck de recherche sur les polymères à Mayence. Les membres du laboratoire Empa "Transport at Nanoscale Interfaces", dirigé par Michel Calame, dans lequel est également intégré le groupe de Mickael Perrin, ont intégré les nanorubans dans des "dispositifs" nanofabriqués. Les nanotubes de carbone de haute qualité, alignés avec précision, nécessaires à cette étude ont été fabriqués par le groupe de recherche de Jin Zhang à l'Université de Pékin. Et pour l'interprétation des résultats de l'étude, les chercheurs de l'Empa ont collaboré avec les des informaticiens de l'Université de Warwick, sous la direction de Hatef Sadeghi.    

Adresse pour l'envoi de questions

Prof. Dr. Mickael Lucien Perrin
Département Empa Transport at Nanoscale Interfaces
Tél. +41 58 765 46 10
mickael.perrin@empa.ch