Le modèle quantique fondamental reproduit avec précision

La plus petite unité d'information dans un ordinateur est le bit : on ou off, 1 ou 0. C'est à partir de la combinaison et de l'interconnexion d'innombrables uns et zéros que se compose aujourd'hui toute la puissance de calcul de l'humanité. Les ordinateurs quantiques possèdent également une telle unité, le qubit. Celui-ci a également deux états possibles. La différence essentielle : les effets quantiques permettent une superposition des deux états, de sorte que le qubit n'est pas soit 1 soit 0, mais à la fois 1 et 0. Avec différents mélanges de 0 et de 1, le qubit peut théoriquement prendre une infinité d'états.

Cette ambiguïté devrait conférer aux ordinateurs quantiques de véritables «pouvoirs magiques». En théorie du moins, les ordinateurs quantiques peuvent ainsi effectuer en une fraction de seconde des calculs que les superordinateurs actuels ne peuvent pas réaliser. Mais le calcul quantique n'a pas encore atteint sa maturité. L'un des grands défis est de relier les qubits entre eux – car un seul (qu)bit ne suffit pas à faire un ordinateur.

Une possibilité de réaliser le 0 et le 1 du qubit est l'orientation de ce que l'on appelle le spin de l'électron. Le spin est une propriété fondamentale de la mécanique quantique des électrons et autres particules, une sorte de couple qui, pour simplifier, peut être dirigé vers le haut ou vers le bas, c'est-à-dire vers le haut (1) ou vers le bas (0). Si deux spins ou plus sont liés par la mécanique quantique, ils s'influencent mutuellement : si l'orientation de l'un change, elle change aussi pour tous les autres. C'est donc une bonne possibilité de faire « parler » les qubits entre eux. Seulement, comme beaucoup de choses en physique quantique, ce langage, c'est-à-dire l'interaction des spins entre eux, est extrêmement complexe. Bien que l'on puisse le décrire mathématiquement, les équations correspondantes ne peuvent guère être résolues avec précision, même pour des enchaînements relativement simples de quelques spins. Ce ne sont pas les meilleures conditions pour mettre la théorie en pratique ...

Un modèle devient réel

Des chercheurs de l'Empa du «nanotech@surfaces Laboratory» ont maintenant développé une méthode permettant de faire «parler» entre eux de nombreux spins de manière contrôlée – tout en les «écoutant», c'est-à-dire en reproduisant leurs interactions. En collaboration avec des chercheurs de l'«International Iberian Nanotechnology Laboratory» et de l'Université technique de Dresde, ils ont pu reproduire avec précision un enchaînement archétypique de spins d'électrons et mesurer leurs propriétés en détail. Leurs résultats viennent d'être publiés dans la célèbre revue spécialisée «Nature Nanotechnology».

La théorie derrière cet enchaînement est familière à tous les étudiants en physique : prenez une chaîne linéaire de spins dans laquelle chaque spin interagit fortement avec l'un de ses voisins et faiblement avec l'autre. Ce modèle dit d'alternance unidimensionnelle d'Heisenberg a été décrit il y a près de 100 ans par le physicien et prix Nobel Werner Heisenberg, l'un des fondateurs de la mécanique quantique. Bien qu'il existe dans la nature des matériaux contenant de telles chaînes de spin, il n'a pas encore été possible de les intégrer de manière ciblée dans un matériau. «Les matériaux réels sont toujours plus complexes qu'un modèle théorique», explique Roman Fasel, directeur du «nanotech@surfaces Laboratory» et co-auteur de l'étude.

Un «gobelet» de carbone

Pour fabriquer un tel matériau quantique artificiel ou «artificial quantum matter», les chercheurs de l'Empa ont donc eu recours à de minuscules morceaux de graphène, un matériau carboné bidimensionnel. La forme de ces molécules de nanographène influence leurs propriétés physiques, notamment leur spin – une sorte de brique de Lego nano-quantique à partir de laquelle les scientifiques peuvent «assembler» des chaînes plus longues.

Pour leur modèle d'Heisenberg, les chercheurs ont utilisé ce que l'on appelle le gobelet de Clar. Cette molécule de nanographène particulière est composée de onze anneaux de carbone disposés en forme de sablier. En raison de cette forme particulière, un électron non apparié se trouve à chaque extrémité – chacun avec un spin correspondant. Bien que prédit dès 1972 par le chimiste Erich Clar, le gobelet de Clar n'a pu être fabriqué qu'en 2019 par les chercheurs du laboratoire «nanotech@surfaces» de l'Empa.

Les chercheurs ont maintenant lié les gobets en chaînes sur une surface d'or. Les deux spins à l'intérieur d'une molécule sont faiblement liés entre eux, les spins d'une molécule à l'autre sont fortement liés – une réalisation parfaite de la chaîne d'Heisenberg alternante. Les chercheurs ont pu manipuler avec précision la longueur des chaînes, activer et désactiver de manière ciblée certains spins et les faire «tourner» d'un état à l'autre, et étudier plus en détail la physique complexe de ce nouveau type de matériau quantique.

De la théorie à la pratique

Tout comme la synthèse du gobelet de Clar a permis la fabrication de chaînes d'Heisenberg, cette étude ouvrira à son tour de nouvelles portes dans la recherche quantique, Roman Fasel en est convaincu. «Nous avons montré que les modèles théoriques de la physique quantique peuvent être réalisés avec des nanographènes et que leurs prédictions peuvent donc être vérifiées expérimentalement», explique le chercheur. «Les nanographènes avec d'autres configurations de spin peuvent être reliés à d'autres types de chaînes ou à des systèmes plus complexes». Les chercheurs de l'Empa montrent tout de suite l'exemple : dans une deuxième étude, qui est sur le point d'être publiée, ils ont pu reproduire un autre type de chaîne d'Heisenberg, dans laquelle tous les spins sont liés entre eux avec la même force.

Pour être à l'avant-garde de la physique quantique appliquée, les théoriciens et les praticiens de différentes disciplines doivent se serrer les coudes. Les chimistes de l'Université technique de Dresde ont mis à la disposition aux chercheurs de l'Empa les molécules de départ pour leur synthèse des gobelets de Clar. Et des chercheurs de l'«International Iberian Nanotechnology Laboratory» au Portugal ont apporté au projet leur expertise en matière de théorie. La théorie nécessaire à de telles percées n'est pas (seulement) celle que l'on trouve dans les livres de physique, souligne Roman Fasel, mais un travail de transfert exigeant entre le modèle de physique quantique et les mesures expérimentales.