15/03/2013 - Un travail ouvre une nouvelle voie pour manipuler des bits quantiques et transférer des informations efficacement

Menéame

Enquêteurs Conseil supérieur de la recherche scientifique (CSIC), en collaboration avec le National Research Council of Canada, a mesuré et analysé pour la première fois un phénomène appelé blocage d’espion dans le transport électronique à travers un circuit en trois points quantiques, ou atomes artificiels, liés entre eux.

Le travail, publié dans la revue Nature Nanotechnology, ouvre une nouvelle voie pour la manipulation des bits quantiques, les composants de base des ordinateurs du futur, et pour le transfert efficace d’informations entre deux régions éloignées.

Les électrons ont non seulement une charge, mais aussi une autre propriété qui se manifeste par des dispositifs extrêmement petits, qui nécessitent de la mécanique quantique pour être décrits: espion. "C’est une propriété qui définit l’état de l’électron. On peut imaginer un électron avec l’esprit pointant vers le haut, tournant dans le sens des aiguilles d’horloge et, au contraire, avec l’espion vers le bas, tournant dans un sens contraire à ceux-ci," explique la chercheuse du CSIC Gloria Platero, qui travaille à l’Institut de Science des Matériaux de Madrid. 

La figure ci-dessus montre le courant à travers trois points quantiques, dans un champ magnétique de 0.2 Teslas dans les deux directions de la tension. Le courant s’arrête dans les régions de blocage d’espion ("Spin Blockade"). Dans la figure ci-dessous, le courant est affiché à travers trois points quantiques sans la présence d’un champ magnétique. Les lignes L-R indiquent un courant électronique de gauche (L) à droite (R) sans passer par le point quantique central./ CSIC

Selon le principe d’exclusion de Pauli, une loi fondamentale de la mécanique quantique énoncée par Wolfgang Ernst Pauli en 1925, deux électrons ne peuvent pas avoir des nombres quantiques égaux, qui sont ceux qui définissent leur état. Dans ce travail, cela se traduit par le fait qu’ils ne peuvent pas avoir les épines pointant dans la même direction à un même point quantique.

Platier précise: "S’il y a un électron avec espion vers le haut dans un atome ou un point quantique de la chaîne, un autre électron situé dans l’atome voisin avec l’espion vers l’étage ne peut pas passer au premier et est bloqué au point quantique où il se trouve initialement. Ce phénomène est appelé blocage d’espion et provoque un courant électronique à travers la chaîne de points quantiques qui décroît brusquement et qui cesse de couler à travers le circuit."

Les scientifiques ont étudié ce phénomène à travers trois points quantiques et ont observé que l’effet est en outre bipolaire, car il se produit lorsque l’on applique une tension aux deux extrémités de la chaîne dans un sens ou dans l’inverse. L’interruption du courant due au blocage des épines permet de manipuler les bits quantiques confinés dans ces systèmes, une manipulation potentiellement plus polyvalente et riche que dans d’autres études antérieures.

La recherche ouvre de nouveaux horizons pour son application potentielle dans l’informatique et les informations quantiques. "Une autre propriété surprenante est que, dans ce circuit, les électrons sont transférés entre les extrémités sans occuper la région intermédiaire grâce à une propriété fondamentale de la mécanique quantique: la cohérence quantique," indique la chercheuse du CSIC.

Selon l’équipe espagnole impliquée dans le travail, les résultats sont une première étape dans la conception et l’analyse du transport électronique à travers des chaînes de plus de trois points quantiques. Les applications potentielles auraient une projection, non seulement dans des domaines tels que l’information et l’informatique quantiques, mais aussi dans la spironomie, où l’espion, au lieu de la charge, est celui qui détermine les propriétés du circuit nanoélectronique.

"Nous avons démontré qu’il est possible de transporter des électrons d’une extrémité à l’autre sans occuper la région intermédiaire dans des systèmes de dimension nanométrique. Les processeurs quantiques, qui exigent que le transfert de données reste intact sur de longues distances, pourraient tirer profit de cette étude," soulignent les chercheurs.

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    M. Busl, G. Granger, L. Gaudreau, R. Sánchez, A. Kam, M. Pioro-Ladrière, S. A. Studenikin, P. Zawadzki, Z. R. Wasilewski, A. S. Sachrajda y G. Platero. Bipolar spin blockade and coherent state superpositions in a triple quantum dot. Nature nanotechnology. DOI: 10.1038/NNANO.2013.7.

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