Spintronique : le nano-tube de l’hiver?

Nanotubes de carbone chez softmachines.org

Il arrive que deux découvertes plutôt « à la mode » se marient, avec plus ou moins de succès (on se souviendra du croisement tecktonik-emo d’il y a cinq-six ans), en faisant naître, quand il s’agit de science (où la possibilité d’une chance d’existence est toujours annoncée en grande pompe au moins cinq ans en avance), de grands espoirs. C’est ce qui se passe quand la découverte sanctionnée par le Nobel de Physique 2010, la fabrication de graphène – un assemblage en feuillet d’atomes de carbone – est une des voies envisagées pour concevoir les ordinateurs de demain.

En effet, nos ordinateurs actuels, comme une très grande partie de nos outils, reposent sur l’électronique, c’est-à-dire sur le mouvement des charges électriques élémentaires que sont les électrons. Mais une autre caractéristique de ces électrons est intéressante : ils possèdent un champ magnétique, nommé spin, qui peut (puisqu’il est pour un électron seul dans un état sur deux possible) former une information (un bit classique), mais aussi s’associer avec le spin d’un autre électron pour former une information plus complexe (on parlera alors de Qubit). Le passage du bit au Qubit peut potentiellement permettre une explosion exponentielle des puissances de calcul des futurs ordinateurs, basés sur la spintronique.

Et pour le moment, la grande majorité des essais de fabrication d’un tel ordinateur quantique sont basés sur le Silicium, hérité de la technologie électronique. Mais les progrès réalisés dans les assemblages de carbone, un élément aux propriétés semblables au silicium, permettent de se poser la question de son utilisation. Or, jusqu’ici, cela ne semblait qu’une vague promesse, à l’instar d’une équipe d’Aimé Jacquet en 1997 dont on entrevoit les promesses mais qui pose beaucoup de problèmes techniques. Notamment le fait que, dans les feuillets de graphène, le spin des électrons n’est pas affecté par le mouvement de ceux-ci, mais est aléatoire : pas très pratique pour transmettre de l’information.

En revanche, que se passe-t-il lorsque l’on plie ce feuillet, pour en faire un tube ? C’est ce qu’ont tenté des chercheurs du Niels Bohr Institute au Danemark, qui publient le résultat de leurs expériences dans Nature Physics. Ils montrent que lorsque l’on force des électrons à se déplacer le long du tube (pour décrire un cercle), leurs spins tournent (i.e. la direction du champ magnétique propre de l’électron change suivant sa position). Théoriquement, on savait que c’était possible dans le cas d’un électron seul se déplaçant dans le vide le long d’un nanotube parfait – autant dire rien d’exploitable en pratique. Maintenant, on sait que c’est réalisable avec un nombre arbitraire d’électrons, dans l’air et avec un nanotube où l’on trouve des impuretés et des défauts, ce qui est bien plus proche de conditions d’utilisation réalistes. L’article montre comment on peut jouer sur l’intensité de cet effet, voire l’annuler. Un petit pas de plus sur la route de l’ordinateur quantique, qui reste tout de même assez lointain.

Un nouveau pas en avant pour l’ordinateur quantique.

Le joujou qui fait fantasmer tous les technophiles de la planète, ce n’est bien évidemment pas l’Ipad, mais la prochaine évolution de l’informatique: l’ordinateur quantique.

Le principe de ce calculateur repose sur la manipulation de qubits (ou bits quantiques). Un ordinateur classique gère l’information sous formes de bits, qui peuvent être sous deux états différents (généralement appelés 0 et 1). Le qubit, lui, a le particularité d’avoir également deux états (notés en général |0> et |1>), mais d’obéir au principe de superposition: le qubit sera en fait dans une superposition des deux états. L’avantage d’un tel ordinateur est que sa puissance augmentera de façon exponentielle avec le nombre de qubits qu’il peut traiter, et non plus de façon linéaire.

Sur le papier, cela ouvre de nombreuses perspectives, mais où en est on?

Avec un mot comme "qubit", je suis sur que vous vous attendiez à autre chose.

Un premier pas a été fait en juin 2009, quand une équipe de l’université de Yale publiait dans la prestigieuse revue Nature une lettre annonçant la réalisation d’un « ordinateur » à 2 qubits. Puis une équipe de chimistes d’Harvard utilisait des photons pour calculer l’énergie d’une molécule d’hydrogène. Une équipe du NIST montrait également comment manipuler des qubits individuellement, avec pour base des atomes de rubidium piégés par des moyens optiques.

Et grâce à l’équipe du Pr. J. Petta, à Princeton, un autre défi technique semble en passe d’être maîtrisé. Dans un article publié dans Science, il explique comment grâce à de minsucules électrodes il arrive à manipuler l’état quantique d’un électron, sans toucher aux électrons environnants. Il ouvre ainsi la voie à de nombreuses applications de spintronique, où l’on ne s’intéresse plus aux électrons mais à l’état de ceux-ci, et, pour le sujet qui nous concerne, à l’utilisation d’électrons comme qubits pour des ordinateurs quantiques.

Bien entendu, nous n’en sommes qu’aux prémices de cette technologie prometteuse, il faudra attendre quelques temps avant de voir les modèles expérimentaux dotés d’un écran tactile.