Pour la première fois, des physiciens ont réussi à faire interagir exactement deux électrons et à observer très précisément le résultat de cette rencontre, une prouesse qui ouvre la voie à des progrès dans le domaine des mesures ultrasensibles et de l’informatique quantique.
En ce qui concerne l’ordinateur quantique, la recherche en est actuellement à un stade similaire aux débuts de l’automobile, lorsque les ingénieurs et les inventeurs testaient et expérimentaient toutes sortes de moteurs et de mécanismes. Cette phase “darwinienne” est essentielle dans tout processus technologique, car elle permet de faire émerger les solutions les plus prometteuses en termes de performance.
Image par microscopie électronique à balayage du collisionneur d’électrons à l’échelle nanométrique défini par des électrodes métalliques (motifs colorés) sur une hétérostructure de semiconducteurs GaAs (en gris). Chaque boîte quantique (marquées “Source”) émet un électron à la demande. Les deux électrons émis de façon synchronisée et confinés dans l’onde acoustique de surface (SAW) se déplacent de gauche à droite en suivant les lignes pointillées. Dans la région de couplage centrale (où les électrodes jaunes sont parallèles), la répulsion électrostatique mutuelle (force de Coulomb entre particules chargées de même signe) maintient chaque électron dans son canal respectif. Après la collision, les électrons en vol sont captés par les boîtes quantiques de droite (“Detectors”) où ils sont analysés.
Pour l’ordinateur quantique, la nature physique des qubits en interaction est actuellement l’objet d’expérimentations tous azimuts, que ce soit en utilisant des photons en interaction, des atomes, des molécules ou des particules chargées. Lesquelles de ces entités se révéleront être les constitutifs quantiques de nos futurs ordinateurs ?
L’étape préliminaire consiste à maîtriser la production et la manipulation individuelle de ces objets infinitésimaux. Dans le domaine de l’électronique quantique, les efforts des dix dernières années ont permis de contrôler l’émission de charges au niveau de l’électron. Cependant, il restait à réaliser l’émission synchronisée de deux électrons et à suivre de manière contrôlée leur interaction.
À cette fin, des scientifiques de l’Institut Néel (CNRS), en collaboration avec des chercheurs japonais, ont récemment mis au point un collisionneur d’électrons à l’échelle nanométrique sur une puce de semiconducteurs. Un tel dispositif intègre deux sources d’électrons uniques qui peuvent être déclenchées avec précision sur une échelle de temps de l’ordre de la picoseconde. La paire d’électrons synchronisés est ensuite guidée par une onde acoustique de surface vers une région d’interaction où les deux charges se déplacent dans deux canaux parallèles séparés par une très fine paroi à travers laquelle ils peuvent interagir pendant 14 nanosecondes.
Malgré la brièveté de leur rencontre, les chercheurs ont observé une nette modification des trajectoires ultérieures des électrons, qu’ils ont attribuée à l’interaction coulombienne répulsive (le principe d’exclusion de Pauli n’étant pas impliqué dans l’interaction effective dans cette expérience). Cette démonstration expérimentale ouvre désormais la voie à l’utilisation d’un tel électron en vol comme capteur ultrarapide ou pour générer un enchevêtrement quantique, élément clé de l’informatique quantique. Ces résultats sont publiés dans la revue Nanotechnologie de la nature.
Références
Antigroupage médié par Coulomb d’une paire d’électrons surfant sur le son
Junliang Wang, Hermann Edlbauer, Aymeric Richard, Shunsuke Ota, Wanki Park, Jeongmin Shim, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Heung-Sun Sim, Matias Urdampilleta, Tristan Meunier, Tetsuo Kodera!, Nobu-Hisa Kaneko, Hermann Sellier, Xavier Waintal, Shintaro Takada & Christopher Bauerle.
Nanotechnologie de la naturepublié le 11/05/2023.
https://www.nature.com/articles/s41565-023-01368-5
Archives ouvertes: https://arxiv.org/abs/2210.03452
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