Du nickel moléculaire dans les futurs ordinateurs quantiques ?
Par rapport à un bit classique, objet élémentaire de mémoire d’ordinateur qui peut présenter deux états, 0 ou 1, un bit quantique peut se trouver en même temps dans les états 0 et 1. Mais cette « superposition » d’états, utilisée par exemple pour sécuriser les communications, est rapidement détruite par le « bruit magnétique » généré par les noyaux des atomes du matériau, freinant ainsi leur utilisation. Concevoir des molécules simples capables de générer des bits quantiques protégés contre le bruit magnétique ? Défi relevé par une équipe de l'Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay - ICMMO (CNRS/Université de Paris Saclay)1 qui viennent de synthétiser une nouvelle molécule à base d’ions nickel (Ni) spécialement conçue pour être insensible au bruit magnétique, molécule qui pourraient ainsi entrer dans les processeurs quantiques moléculaires des ordinateurs de demain. Résultats à retrouver dans la revue Chemical Science.
- 1En collaboration avec le CSIC espagnol (Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón), le Laboratoire national des champs magnétiques intenses (CNRS/Université de Grenoble) et le Laboratoire de chimie et physique quantiques (CNRS/Université Paul Sabatier).
Un bit classique est un objet élémentaire (atome, molécule, cristal…) qui peut se trouver dans deux états, 0 ou 1, états utilisés pour stocker l'information dans la mémoire de nos ordinateurs. Un bit quantique est un objet similaire, mais qui peut être en même temps dans les états 0 et 1, état appelé « superposition ». L'utilisation de superpositions de bits quantiques permet par exemple de résoudre des problèmes complexes liés à la communication sécurisée ou à la recherche d'informations dans de très grandes bases de données.
Cependant, ces superpositions sont fragiles et peuvent être facilement détruites par un processus appelé « processus de décohérence quantique». Par exemple, le bruit magnétique intrinsèque, généré par les noyaux des atomes ou par les défauts présents dans la structure cristalline du matériau, détruit les bits quantiques dont le phénomène de superposition repose sur l’utilisation des spins électroniques particulièrement sensibles au champ magnétique. Pour parer à ce problème, des solutions existent mais elles impliquent d'augmenter le nombre de qubits qui codent chaque unité d'information, ce qui va à l’encontre de la miniaturisation des systèmes de stockage recherchée. La conception de systèmes à la fois simples et insensibles au bruit magnétique reste un défi !
Défi relevé par l'équipe de l'ICMMO. Grâce à la conception chimique des molécules organiques appropriées, qui les entourent, les scientifiques sont parvenus à rendre les ions Ni(II) insensibles au bruit magnétique dans des systèmes moléculaires présentant cette superposition d’états.
La possibilité de protéger ces qubits moléculaires de la décohérence quantique en modulant l'environnement chimique de l'ion Ni(II) (géométrie de l’ion et structure électronique des molécules qui l’entourent) permet d’envisager maintenant leur utilisation dans des processeurs quantiques à l'échelle moléculaire. Reste à assembler ces unités moléculaires de stockage afin de mettre en œuvre des portes quantiques utilisables dans des ordinateurs.
Marcos Rubín-Osanz, François Lambert, Feng Shao, Eric Rivière, Régis Guillot, Nicolas Suaud, Nathalie Guihéry, David Zueco, Anne Laure Barra, Talal Mallah & Fernando Luis
Chemical tuning of spin clock transitions in molecular monomers based on nuclear spin-free Ni(II)
Chemical Science (2021)
DOI: 10.1039/d0sc05856d