Capture du mouvement des électrons pour maximiser l’informatique traditionnelle et quantique

Une équipe de chercheurs de l’Université du Michigan et de l’Université de Ratisbonne a capturé le mouvement des électrons à la vitesse la plus rapide à ce jour. L’équipe a capturé ce mouvement en attosecondes, et ce nouveau développement pourrait aider à maximiser les vitesses de traitement de l’informatique traditionnelle ou quantique. La recherche fournit de nouvelles informations sur le comportement des électrons dans les solides.

L’étude a été publiée dans Nature.

Augmentation des vitesses de traitement

En voyant les électrons se déplacer dans ces petites incréments, qui sont un quintillionième de seconde, les experts pourraient augmenter les vitesses de traitement jusqu’à un milliard de fois plus rapide que les capacités actuelles.

Mackilo Kira, qui a dirigé les aspects théoriques de l’étude, est professeur de génie électrique et d’informatique à l’Université du Michigan.

« Votre ordinateur actuel fonctionne en gigahertz, ce qui signifie un milliardième de seconde par opération », a déclaré Kira. « En informatique quantique, c’est extrêmement lent, car les électrons à l’intérieur d’un circuit imprimé entrent en collision des trillions de fois par seconde, et chaque collision met fin au cycle de calcul quantique. »

« Ce dont nous avions besoin pour faire progresser les performances, c’étaient des instantanés de ce mouvement des électrons qui soient un milliard de fois plus rapides. Et maintenant, nous les avons. »

Selon Rupert Huber, qui est professeur de physique à l’Université de Ratisbonne et auteur principal de l’étude, les résultats pourraient avoir un impact important sur le domaine de la physique des many-body, encore plus que sur l’informatique.

Huber a dirigé l’étude.

« Les interactions many-body sont les forces motrices microscopiques derrière les propriétés les plus convoitées des solides – allant des prouesses optiques et électroniques aux transitions de phase intrigantes – mais elles ont été notoirement difficiles à accéder », a déclaré Huber. « Notre horloge à solides attoseconde pourrait devenir un véritable changement de jeu, nous permettant de concevoir des matériaux quantiques novateurs avec des propriétés plus précisément adaptées et d’aider à développer de nouvelles plateformes de matériaux pour la technologie d’information quantique future. »

Observation du mouvement des électrons

Les chercheurs ont traditionnellement utilisé des impulsions courtes de lumière ultraviolette extrême (XUV) pour observer le mouvement des électrons dans les matériaux quantiques bidimensionnels. Les impulsions XUV révèlent l’activité des électrons attachés au noyau d’un atome. Cependant, la grande quantité d’énergie transportée dans les impulsions rend difficile l’observation claire des électrons qui se déplacent à travers les semiconducteurs, ce qui est le cas dans les ordinateurs actuels et les matériaux explorés pour l’informatique quantique.

Pour surmonter ces défis, l’équipe a d’abord utilisé deux impulsions lumineuses avec des échelles d’énergie qui correspondent à celles des électrons de semiconducteurs mobiles. La première impulsion était de la lumière infrarouge, qui met les électrons dans un état leur permettant de se déplacer à travers le matériau. La deuxième impulsion était une impulsion terahertz à basse énergie, qui force les électrons à entrer en collision frontale contrôlée. Lorsque les électrons entrent en collision, ils produisent des impulsions lumineuses, ce qui révèle les interactions derrière l’information quantique et les matériaux quantiques exotiques.

« Nous avons utilisé deux impulsions – l’une qui est énergétiquement adaptée à l’état de l’électron, et une seconde qui fait changer l’état », a expliqué Kira. « Nous pouvons essentiellement filmer comment ces deux impulsions changent l’état quantique de l’électron et puis l’exprimer en fonction du temps. »

Cette nouvelle séquence développée par l’équipe permet des mesures de temps à haute précision.

« C’est vraiment unique et nous a pris de nombreuses années de développement », a déclaré Huber. « Il est tout à fait inattendu que de telles mesures de haute précision soient même possibles si l’on se souvient à quel point un seul cycle d’oscillation de la lumière est ridicule – et notre résolution temporelle est cent fois plus rapide. »

L’informatique quantique peut résoudre de nombreux problèmes qui sont trop complexes pour l’informatique traditionnelle, et les progrès dans les capacités quantiques pourraient conduire à de nombreuses solutions.

Markus Borsch est un étudiant doctorant en génie électrique et informatique à l’Université du Michigan et co-auteur de l’étude.

« Personne n’a encore pu construire un ordinateur quantique évolutif et tolérant aux fautes, et nous ne savons même pas à quoi cela ressemblerait », a déclaré Borsch. « Mais la recherche fondamentale comme l’étude de la façon dont le mouvement électronique dans les solides fonctionne aux niveaux les plus fondamentaux pourrait nous donner une idée qui nous mènera dans la bonne direction. »