Coherent electric field manipulation of nuclear spin qudit
Cet article démontre que le dopage du ZnO avec du Mn2+ permet un contrôle efficace et universel par champ électrique de qudits de spin nucléaire en exploitant les spins électroniques couplés par interaction hyperfine dans une matrice d'oxyde hautement polarisable, surmontant ainsi le faible couplage par champ électrique typique des systèmes semi-conducteurs conventionnels.
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Imaginez que vous essayez de construire un ordinateur super rapide qui n'utilise pas l'électricité comme votre ordinateur portable, mais qui utilise plutôt les « spins » minuscules et invisibles des atomes comme ses interrupteurs. Ces spins atomiques sont comme de minuscules toupies qui peuvent pointer dans différentes directions pour stocker de l'information. Le problème est que ces toupies sont incroyablement têtues. Habituellement, pour les faire tourner ou changer de direction, les scientifiques doivent utiliser des aimants géants et encombrants. Mais les aimants sont difficiles à réduire à la taille d'un seul atome, et ils ne peuvent pas être facilement câblés à l'intérieur d'une puce informatique minuscule.
C'est ici que l'idée d'utiliser l'électricité plutôt que le magnétisme entre en jeu. C'est comme essayer de pousser une balançoire : vous pouvez soit la pousser avec un aimant géant de loin (difficile à viser), soit lui donner une petite poussée précise avec votre main (facile à contrôler). Dans le monde de l'informatique quantique, les scientifiques ont essayé de trouver un moyen de « donner une petite poussée » à ces spins atomiques avec des champs électriques. Cependant, pendant longtemps, les spins dans les matériaux courants étaient comme des rochers lourds et glissants qui bougeaient à peine lorsqu'on les poussait avec de l'électricité. Ils nécessitaient des champs électriques massifs et puissants pour bouger ne serait-ce qu'un tout petit peu, ce qui les rendait trop lents et inefficaces pour un véritable ordinateur. La grande question était : pouvons-nous trouver un matériau où ces spins atomiques seraient comme des balles légères et rebondissantes qui sautent dès qu'on leur donne une petite tape électrique ?
C'est exactement ce qu'une équipe de chercheurs d'Oxford, du KAIST et de la Queen Mary University of London a entrepris de découvrir. Ils ont décidé de cesser de chercher parmi les suspects habituels et ont plutôt testé un type spécial de matériau appelé oxyde, plus précisément de l'oxyde de zinc (ZnO) dopé avec un tout petit peu de manganèse. Voyez l'oxyde de zinc comme un réseau cristallin, une grille rigide d'atomes, et imaginez que vous déposiez un atome de manganèse dedans comme une bille colorée dans une boîte de billes transparentes.
Les chercheurs ont découvert quelque chose d'incroyable. Dans ce cristal spécifique, l'atome de manganèse agit comme un agent double. Il possède un « spin nucléaire » (la partie stockage de l'information) et un « spin électronique » (une partie auxiliaire). Habituellement, les champs électriques ignorent le spin nucléaire, mais dans ce cristal, le spin électronique est extrêmement sensible à l'électricité. Lorsque les chercheurs ont appliqué un champ électrique, le spin électronique s'est mis à sauter de manière sauvage, et parce qu'il tenait fermement la main du spin nucléaire, il a entraîné ce dernier dans sa course. C'est comme si le spin nucléaire était un danseur timide qui refusait de bouger, mais que le spin électronique était un partenaire énergique qui lui saisissait la main et le faisait tournoyer sans effort.
En utilisant cette astuce, l'équipe a démontré qu'elle pouvait contrôler le spin nucléaire en utilisant simplement un seul champ électrique, sans avoir besoin d'aucun aimant. Ils ont démontré deux méthodes pour faire cela : une méthode « résonante », où l'on tapote le spin au bon rythme pour le faire basculer, et une méthode « non résonante », où l'on utilise le champ électrique pour faire pivoter doucement la direction du spin. Ils ont constaté que ce contrôle électrique était tout aussi rapide, et dans certains cas même plus rapide, que les méthodes magnétiques traditionnelles.
L'article a également révélé que cette méthode permet de réaliser des « portes » complexes (les opérations logiques d'un ordinateur) sur ces spins. Comme le noyau de manganèse peut exister dans plus de deux états (comme une pièce qui peut être pile ou face), il peut en fait contenir plus d'informations, agissant comme un « qudit » plutôt qu'un simple « qubit ». Cela signifie qu'un seul atome pourrait potentiellement faire le travail de plusieurs, rendant les futurs ordinateurs beaucoup plus efficaces.
Bien que les chercheurs aient noté que les spins finissent par se fatiguer et cessent de tourner (un processus appelé décohérence), ils ont montré que cela peut être corrigé en maintenant le système très froid. Ils ont également suggéré qu'en nettoyant le cristal pour éliminer les autres atomes bruyants, les spins pourraient rester cohérents encore plus longtemps. En fin de compte, ce travail suggère qu'en choisissant les bons matériaux — comme ces oxydes spéciaux — nous pourrions construire des ordinateurs quantiques contrôlés entièrement par l'électricité, ce qui les rendrait plus faciles à miniaturiser et à câbler pour la prochaine génération de technologies.
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