Des nano-systèmes basés sur le spin conduisent à un nouveau type de bit quantique

Les progrès rapides en matière de croissance des cristaux et des dispositifs basés sur des techniques connexes ouvrent de nouvelles possibilités. Les conséquences de ces progrès sont peut-être les plus évidentes dans la mise au point de structures de très petites taille, dont les propriétés physiques peuvent être contrôlées à l'échelle nanométrique. En effet, les nano-structures à l'état solide ont des propriétés optiques et électroniques uniques, et pourraient être la base d'une nouvelle génération de dispositifs.

Dans ce domaine, les chercheurs s'intéressent plus particulièrement aux propriétés de spins confinés dans les nano-structures. Le but est d'utiliser ces nano-systèmes pour réaliser, par exemple, des bits quantiques (qubits) fiables capables de stocker de grandes quantités d'informations. C'est ainsi que le projet S^3NANO, financé par l'UE, a réalisé des qubits d'une nature innovante. Les chercheurs du projet estiment que ces qubits pourraient être les unités d'information des ordinateurs quantiques du futur.

Le projet S^3NANO a récemment publié tous ses principaux résultats, obtenus par des études et des recherches conduites en collaboration. Il s'agissait d'études sur le développement de nouveaux concepts pour des dispositifs basés sur des nano-systèmes solides à quelques états de spin, et de travaux réalisés par une équipe de grands chercheurs et d'institutions internationaux. Durant ses quatre années d'activité, le ‘réseau pour les nano-systèmes solides à petit nombre de spins' a conduit des recherches et organisé des programmes d'échange et des sessions de formation, réalisant de nombreuses avancées révolutionnaires dans la compréhension et l'utilisation de systèmes nanométriques pour de futurs dispositifs.

La réponse est dans les trous

Avant les travaux de S^3NANO, les qubits n'étaient possibles que sous la forme d'électrons. Pour créer de tels qubits, il fallait verrouiller un électron dans un point quantique, un petit dispositif semi-conducteur qui fait tourner l'électron jusqu'à former un petit aimant permanent. Le spin de l'électron peut être manipulé via un champ magnétique externe, l'orientation du spin de l'électron servant à coder l'information.

Ce type de qubit était déjà révolutionnaire, mais il était loin d'être parfait. En effet, les électrons eux-mêmes engendrent des interférences, qui rendent difficile la programmation et la lecture des porteurs d'information. Il fallait donc trouver une meilleure méthode.

Le projet S^3NANO a œuvré dans cette direction, contribuant à trouver une solution. Les chercheurs ont découvert qu'il fallait utiliser des trous au lieu d'électrons. Au lieu de verrouiller des électrons dans le point quantique, ils ont décidé de retirer certains électrons. Ceci génère des lacunes chargées positivement dans la structure électronique, des «trous». Ces trous ont aussi un spin, et peuvent donc être manipulés par un champ magnétique afin de coder l'information.

Mieux encore, comme ces trous ont une charge positive (au lieu de la charge négative des électrons), ils sont découplés du noyau des atomes (de charge positive), et sont donc quasiment insensibles aux interférences découlant du spin du noyau.

Les travaux continuent

Les chercheurs sont très enthousiasmés par les points quantiques de haute qualité qu'ils ont réalisés, soulignant qu'ils représentent une étape importante vers la fabrication de composants reproductibles basés sur des bits quantiques. Cependant, les trous sont plus susceptibles que les électrons d'être perturbés par des températures élevées, ils ne sont donc utilisables qu'à basse température.

Pour surmonter cette difficulté ainsi que pour continuer les travaux du projet S^3NANO, un réseau successeur a été lancé en 2016. Il s'agit du réseau Marie Sklodowska-Curie ITN Spin-NANO, qui emploie actuellement 15 doctorants.

Pour plus d'informations, veuillez consulter:
site web du projet S^3NANO