De bonnes vibrations pour les futurs ordinateurs quantiques
Boîte quantique pyramidale © Alexander Kleinsorge
Les énigmatiques boîtes quantiques sont des briques de base pour l’informatique quantique. Les physiciens de l’EPFL viennent de montrer que la symétrie de ces boîtes permet d'expliquer l'essentiel de leurs remarquables propriétés lumineuses.
Les physiciens ont créé une boîte pyramidale dont la taille est de près de cent nanomètres, soit quelque deux cents atomes de côté. En glissant une charge électrique dans cette construction minuscule, les scientifiques créent un dispositif qui peut émettre de la lumière, devenant utilisable pour de futurs composants d’ordinateurs quantiques. Mais le chemin vers cette nouvelle informatique est encore long, notamment parce que les propriétés lumineuses de ces fameuses boîtes quantiques sont difficiles à déterminer et nécessitent de longs calculs sur ordinateur. Marc-André Dupertuis et son équipe du Laboratoire de physique des nanostructures proposent une nouvelle théorie physique, qu’ils ont vérifiée par des expériences. Cette avancée permet non seulement de gagner du temps de calcul, mais surtout de comprendre simplement la nature de ces objets étranges.
Lorsque ces boîtes reçoivent une ou plusieurs charges électriques, ces dernières se mettent à vibrer. C’est ce que les physiciens appellent la fonction d’onde qui dans ce cas vibre un peu comme la peau d’un tambour. Simuler ces vibrations semble extrêmement complexe, mais Marc-André Dupertuis s’est rendu compte que les symétries déterminent suffisamment le comportement de ces ondes et par conséquent l’émission lumineuse. Le calcul peut alors être simplifié par un ancien outil des mathématiques appelé la théorie des groupes.
Une meilleure compréhension à portée de crayon
La force de cette approche est sa relative simplicité. Les chercheurs peuvent déduire les propriétés lumineuses des boîtes quantiques à partir des symétries qu’ils soupçonnent, et vérifier qu’elles sont présentes. « Des calculs qui jusqu’à aujourd’hui demandaient des superordinateurs peuvent maintenant être remplacés par d’autres qui ne nécessitent qu’une feuille de papier », commente Marc-André Dupertuis.
Le chercheur a dû surmonter une difficulté importante pour achever sa théorie : la simplifier suffisamment tout en tenant compte des propriétés étranges du monde quantique. Imaginez un gâteau coupé en tranches symétriques, mais dont les bords n’auraient pas exactement la même apparence, vous obligeant à grouper les tranches dans un ordre particulier pour reconstituer le dessert. C’est le genre de défi mathématique et quantique auquel s’est attelé le physicien.
Une avancée prometteuse
Au-delà des écueils, la méthode est porteuse de promesses. « A partir de méthodes d’observations expérimentales éprouvées nous pouvons déduire exactement la symétrie de la boîte quantique, mais aussi les propriétés des charges qu’elle contient ou encore quelles sortes de particules de lumières elle va émettre. » Des connaissances qui seront utiles aux scientifiques pour imaginer et élaborer de nouveaux dispositifs – utiles pour les futurs ordinateurs quantiques – en évitant de trop tâtonner.
Source :
Symmetries and the polarized optical spectra from exciton complexes in quantum dots, M. A. Dupertuis, K. F. Karlsson, D. Y. Oberli, et al., Physical Review Letters, 16.09.2011
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.127403
DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.127403