Publié le: mer, Jan 24th, 2018

Un matériau «impossible» pour les systèmes de contrôle des ordinateurs quantiques

Un groupe international de chercheurs russes et allemands a réalisé une percée dans le développement de matériaux dotés de propriétés impossibles à obtenir dans la nature.

Des chercheurs de l’Université nationale de science et de technologie MISiS, de l’Université de Karlsruhe (Allemagne) et de l’Institut d’Iéna des technologies photoniques (Allemagne), dirigés par le professeur Alexeï Oustinov, responsable du laboratoire des métamatériaux supraconducteurs de la MISiS, ont mis au point pour la première fois des qubits dits « symétriques », ainsi que des métamatériaux basés sur ces derniers. C’est donc le premier métamatériau quantique au monde, qui pourra être utilisé comme un élément de contrôle dans les schémas électriques supraconducteurs. Les résultats de ces travaux ont été publiés dans le magazine Nature Communications.

Les métamatériaux sont des substances dont les propriétés ne sont pas tant définies par les atomes qui les composent que par les structures que ces atomes forment. Ces structures, appelées « méta-atomes », mesurent quelques dizaines ou centaines de nanomètres et possèdent des propriétés propres, qui disparaissent si on tente de les fragmenter.

La création des qubits (les plus petits éléments de stockage d’information dans un ordinateur quantique) a ouvert la possibilité de construire un matériau composé de méta-atomes dont l’état n’est décrit que de manière quanto-mécanique. Toutefois, ce travail a nécessité la création de qubits spécifiques.

« Un qubit ordinaire est composé d’un schéma qui regroupe trois effets Josephson, explique Kirill Choulga du laboratoire des métamatériaux supraconducteurs de la MISiS. Et dans la composition du schéma symétrique se trouvent cinq effets symétriques par rapport à l’axe central. Nous avons choisi d’envisager les qubits symétriques comme un système plus complexe que les qubits supraconducteurs ordinaires. La logique est simple: dans un système artificiellement compliqué avec un grand nombre de niveaux de liberté se trouve un plus grand nombre de facteurs qui peuvent impacter ses propriétés. En changeant certains paramètres extérieurs du milieu dans lequel se trouve notre métamatériau, il est possible d’activer ou de désactiver ces propriétés en faisant passer le qubit symétrique de son état principal, avec certaines propriétés, vers un autre. »

Durant l’expérience il s’est avéré que tout métamatériau composé de qubits symétriques pouvait basculer entre deux régimes. Dans un régime, la chaîne de qubits laisse très bien passer le rayonnement électromagnétique dans la bande de fréquence micro-onde, tout en restant un élément quantique. Dans l’autre régime, elle tourne la phase supraconductrice à 180 degrés et bloque le passage d’ondes électromagnétiques. La chaîne reste un système quantique à toutes les étapes.

Microphotographie d'une chaîne de qubits symétriques
Microphotographie d’une chaîne de qubits symétriques

« Il s’avère qu’à l’aide du champ magnétique, un tel matériau peut être utilisé comme un élément de contrôle au sein des systèmes de transmission de signaux quantiques (photons séparés) dans les chaînes qui composent les ordinateurs quantiques actuellement en développement. C’est l’un des éléments clefs dans les appareils électroniques supraconducteurs », déclare l’ingénieur du laboratoire des métamatériaux supraconducteurs de la MISiS Ilia Bessedine.

Il est plus difficile de calculer sur un ordinateur classique les propriétés d’un qubit symétrique par rapport à un qubit ordinaire. En compliquant un tel qubit encore plusieurs fois, il est possible d’atteindre un niveau limite de difficulté déjà proche ou dépassant les capacités des ordinateurs électroniques contemporains. Il est possible d’utiliser un tel système complexe comme un simulateur quantique, c’est-à-dire un dispositif capable de prédire et de modéliser les propriétés d’un certain processus ou matériau réel.

Les auteurs de l’étude ont dû passer en revue plusieurs théories pour décrire correctement les processus qui se produisaient dans un métamatériau quantique. Ces réflexions ont abouti à l’article « Magnetically induced transparency of a quantum metamaterial composed of twin flux qubits » publié dans le prestigieux magazine Nature Communications.

Sputnik

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