De nouveaux matériaux apporteront la prochaine génération d’ordinateurs quantiques

Technologies rendues possibles par la science quantique aidera les chercheurs à mieux comprendre le monde naturel et à exploiter les phénomènes quantiques au profit de la société. Ils transformeront les soins de santé, les transports et les communications, et renforceront la résilience aux cybermenaces et aux catastrophes climatiques. Par exemple, les capteurs de champ magnétique quantique permettront l’imagerie fonctionnelle du cerveau ; les communications optiques quantiques permettront des communications cryptées ; et les ordinateurs quantiques faciliteront la découverte de matériaux de nouvelle génération pour le photovoltaïque et les médicaments.

Actuellement, ces technologies reposent sur des matériaux coûteux et compliqués à préparer, et elles nécessitent souvent un refroidissement cryogénique coûteux et encombrant pour fonctionner. Ces équipements reposent sur des matières premières précieuses telles que l’hélium liquide, qui devient de plus en plus coûteux à mesure que l’offre mondiale diminue. 2023 verra une révolution des innovations dans les matériaux pour le quantique, qui transformera les technologies quantiques. En plus de réduire les exigences environnementales, ces matériaux permettront un fonctionnement à température ambiante et des économies d’énergie, ainsi qu’un faible coût et des exigences de traitement simples. Pour optimiser leurs propriétés quantiques, les laboratoires de recherche peuvent manipuler la structure chimique et l’emballage moléculaire. La bonne nouvelle est que les physiciens et les ingénieurs ont été occupés, et 2023 verra ces matériaux passer des laboratoires scientifiques au monde réel.

Récemment, le UK Engineering and Physical Sciences Research Council a annoncé une vision de l’innovation dans les matériaux pour les technologies quantiques, dirigée par l’Imperial College de Londres et l’Université de Manchester. Le London Centre for Nanotechnology, une collaboration de centaines de chercheurs de l’Imperial, du King’s et de l’University College London, possède une expertise considérable dans la simulation et la caractérisation des systèmes quantiques. Le laboratoire de mesure du Royaume-Uni, le National Physical Laboratory, vient d’ouvrir le Quantum Metrology Institute, une installation de plusieurs millions de livres dédiée à la caractérisation, la validation et la commercialisation des technologies quantiques. En travaillant ensemble, les chercheurs et l’industrie inaugureront une nouvelle ère dans les domaines pharmaceutique, de la cryptographie et de la cybersécurité.

Les qubits, les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques, reposent sur des matériaux aux propriétés quantiques, comme le spin des électrons, qui peuvent être manipulés. Une fois que nous pouvons exploiter ces propriétés, nous pouvons les contrôler à l’aide de champs lumineux et magnétiques, créant des phénomènes quantiques tels que l’intrication et la superposition. Les qubits supraconducteurs, l’état de l’art actuel de la technologie qubit, comprennent des jonctions Josephson qui fonctionnent comme des supraconducteurs (matériaux capables de conduire l’électricité avec une résistance nulle) à des températures extrêmement basses (–273 ºC). Les exigences de température et de fonctionnement à haute fréquence difficiles signifient que même les aspects les plus élémentaires de ces qubits supraconducteurs – les diélectriques – sont difficiles à concevoir. À l’heure actuelle, les qubits incluent des matériaux comme le nitrure de silicium et l’oxyde de silicium, qui présentent tellement de défauts que les qubits eux-mêmes doivent être de taille millimétrique pour stocker l’énergie du champ électrique, et la diaphonie entre les qubits adjacents introduit un bruit considérable. Atteindre les millions de qubits requis pour un ordinateur quantique pratique serait impossible avec ces matériaux.

2023 verra plus d’innovation dans la conception de matériaux pour les technologies quantiques. Parmi les nombreux candidats impressionnants envisagés jusqu’à présent (par exemple, les diamants avec des défauts de lacune d’azote, les matériaux van der Waals/2D et les supraconducteurs à haute température), je suis le plus enthousiasmé par l’utilisation de matériaux moléculaires. Ces matériaux sont conçus autour de semi-conducteurs organiques à base de carbone, qui constituent une classe établie de matériaux pour la fabrication évolutive d’électronique grand public (ayant révolutionné l’industrie des écrans OLED de plusieurs milliards de dollars). Nous pouvons utiliser la chimie pour contrôler leurs propriétés optiques et électroniques, et l’infrastructure entourant leur développement s’appuie sur une expertise établie.

Par exemple, les matériaux moléculaires chiraux – des molécules qui existent sous la forme d’une paire d’images miroir non superposables – vont révolutionner les technologies quantiques. De fines couches à une seule main de ces molécules remarquablement polyvalentes peuvent être utilisées pour contrôler le spin des électrons à température ambiante. Dans le même temps, les longs temps de cohérence de spin et la bonne stabilité thermique et chimique des phtalocyanines métalliques les verront utilisées pour transporter des informations quantiques.

Alors que 2023 verra sans aucun doute des gros titres sur les vitesses de fonctionnement des ordinateurs quantiques, les scientifiques des matériaux étudieront, découvriront et concevront la prochaine génération de technologies quantiques à faible coût, à haut rendement et durables.