Parmi ses principaux objectifs, la recherche en informatique quantique vise à créer des matériaux et des dispositifs pouvant maintenir leurs propriétés quantiques à des températures élevées, dont la température ambiante (considérée comme élevée dans le domaine de l’informatique quantique). Cela permettrait une utilisation beaucoup plus large et pratique des ordinateurs quantiques. Des chercheurs issus de l’Université du Texas à El Paso ont mis au point un nouveau matériau qui pourrait contribuer à l’atteinte de cet objectif.
L’un des défis majeurs de l’informatique quantique est la nécessité de maintenir les qubits dans un état stable. Actuellement, cela nécessite des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu (-273 degrés Celsius). Le maintien de ces basses températures nécessite des installations très encombrantes et coûteuses, incluant des systèmes de refroidissement spécialisés. Ces contraintes rendent difficile la mise à l’échelle des ordinateurs quantiques pour une utilisation plus générale.
Mais des chercheurs ont mis au point un nouveau matériau qui pourrait assouplir ces exigences. Il a la particularité de pouvoir conserver ses propriétés quantiques à température ambiante, une caractéristique qui pourrait potentiellement permettre aux qubits de rester stables sans avoir besoin de se retrouver dans des conditions extrêmement froides. Les physiciens ont publié les détails de leur exploit dans la revue scientifique Applied Physics Letters.
Un matériau superparamagnétique
Les physiciens de l’Université du Texas affirment avoir développé un matériau magnétique doté d’un comportement dit « superparamagnétique ». Le superparamagnétisme est une propriété observée uniquement chez certains matériaux. Dans un matériau ferromagnétique, les moments magnétiques s’alignent dans une direction particulière et restent ainsi alignés même en l’absence de champ magnétique externe. En revanche, dans un matériau superparamagnétique, les moments magnétiques sont en constante fluctuation en raison de l’agitation thermique. Ainsi, il perd instantanément sa propriété magnétique dès qu’il n’est pas exposé à un champ magnétique externe.
Le principal avantage de ce comportement est la contrôlabilité par l’ajustement du champ magnétique. Cela rend le nouveau matériau intéressant pour des applications nécessitant une extrême précision, comme la manipulation des qubits. Les spins des qubits peuvent ainsi être mesurés et contrôlés de manière très précise, offrant une plateforme potentiellement plus stable et plus efficace pour l’informatique quantique.
Le plus intéressant, c’est que le matériau est capable de maintenir son comportement superparamagnétique à température ambiante. Il serait donc possible de maintenir la stabilité des qubits en dehors des conditions environnantes extrêmement froides.
De quoi est constitué ce matériau ?
Le matériau intègre tout d’abord de l’aminoferrocène, un composé organométallique contenant du fer. Son autre composant est l’oxyde de graphène. Le graphène est une monocouche d’atomes de carbone arrangés en une structure en nid d’abeille. L’oxyde de graphène est donc une forme de cet élément qui a été chimiquement modifiée pour contenir des groupes fonctionnels oxygénés.
Le matériau obtenu ne résulte pas uniquement du mélange de ces deux matériaux, mais aussi et surtout de la méthode par laquelle il a été conçu. En effet, les éléments ont été assemblés étape par étape au lieu d’être combinés simultanément. L’assemblage consistait à disposer l’aminoferrocène en sandwich entre deux feuilles d’oxyde de graphène. Cette technique a permis d’obtenir un matériau qui serait 100 fois plus magnétique que le fer pur.