Une nouvelle technique pourrait permettre des vitesses de traitement un million à un milliard de fois plus rapides que les ordinateurs actuels et stimuler les progrès de la physique à plusieurs corps


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  • La clé pour maximiser les vitesses de calcul traditionnelles ou quantiques réside dans notre capacité à comprendre comment les électrons se comportent dans les solides, et une collaboration entre l’Université du Michigan et l’Université de Ratisbonne a capturé le mouvement des électrons en attosecondes – la vitesse la plus rapide à ce jour.

    Voir les électrons se déplacer par incréments d’un quintillionième de seconde pourrait aider à pousser les vitesses de traitement jusqu’à un milliard de fois plus vite que ce qui est actuellement possible. De plus, la recherche offre un outil « qui change la donne » pour l’étude de la physique à plusieurs corps.

    « Le processeur de votre ordinateur actuel fonctionne en gigahertz, c’est-à-dire un milliardième de seconde par opération », a déclaré Mackillo Kira, professeur de génie électrique et d’informatique à l’UM, qui a dirigé les aspects théoriques de l’étude publiée dans La nature. « En informatique quantique, c’est extrêmement lent car les électrons d’une puce informatique entrent en collision des milliards de fois par seconde et chaque collision met fin au cycle d’informatique quantique.

    « Ce dont nous avions besoin, pour faire avancer les performances, ce sont des instantanés de ce mouvement d’électrons qui sont un milliard de fois plus rapides. Et maintenant nous l’avons. »

    Rupert Huber, professeur de physique à l’Université de Ratisbonne et auteur correspondant de l’étude, a déclaré que l’impact potentiel du résultat dans le domaine de la physique à plusieurs corps pourrait dépasser son impact informatique.

    « Les interactions à plusieurs corps 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 d’accès », a déclaré Huber, qui a dirigé l’expérience. « Notre attoclock à semi-conducteurs pourrait changer la donne, nous permettant de concevoir de nouveaux matériaux quantiques avec des propriétés plus précisément adaptées et d’aider à développer de nouvelles plates-formes de matériaux pour la future technologie de l’information quantique. »

    Pour voir le mouvement des électrons dans les matériaux quantiques bidimensionnels, les chercheurs utilisent généralement de courtes rafales de lumière ultraviolette extrême (XUV) focalisée. Ces sursauts peuvent révéler l’activité des électrons attachés au noyau d’un atome. Mais les grandes quantités d’énergie transportées dans ces sursauts empêchent une observation claire des électrons qui traversent les semi-conducteurs – comme dans les ordinateurs actuels et dans les matériaux en cours d’exploration pour les ordinateurs quantiques.

    Les ingénieurs et partenaires de l’UM utilisent deux impulsions lumineuses avec des échelles d’énergie qui correspondent à celles de ces électrons semi-conducteurs mobiles. La première, une impulsion de lumière infrarouge, met les électrons dans un état qui leur permet de traverser le matériau. La seconde, une impulsion térahertz de plus faible énergie, force ensuite ces électrons dans des trajectoires de collision frontale contrôlées. Les collisions produisent des éclats de lumière, dont la synchronisation précise révèle les interactions derrière les informations quantiques et les matériaux quantiques exotiques.

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

    La séquence à deux impulsions permet une mesure du temps avec une précision supérieure à un pour cent de la période d’oscillation du rayonnement térahertz qui accélère les électrons.

    « C’est vraiment unique et cela 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 vous vous souvenez à quel point un seul cycle d’oscillation de la lumière est ridiculement court – et notre résolution temporelle est encore cent fois plus rapide. »

    Les matériaux quantiques pourraient posséder des phases magnétiques, supraconductrices ou superfluides robustes, et l’informatique quantique représente le potentiel de résolution de problèmes qui prendraient trop de temps sur les ordinateurs classiques. Pousser de telles capacités quantiques finira par créer des solutions à des problèmes qui sont actuellement hors de notre portée. Cela commence par la science observationnelle de base.

    « Jusqu’à présent, personne n’a été capable de construire un ordinateur quantique évolutif et tolérant aux pannes et nous ne savons même pas à quoi cela ressemblerait », a déclaré le co-premier auteur de l’étude, Markus Borsch, doctorant à l’UM en génie électrique et informatique. « Mais la recherche fondamentale comme l’étude du fonctionnement du mouvement électronique dans les solides aux niveaux les plus fondamentaux pourrait nous donner une idée qui nous mène dans la bonne direction. »

    Josef Freudenstein, doctorant à l’Université de Ratisbonne, est également co-premier auteur. L’étude a été soutenue par la Fondation allemande pour la recherche, le Bureau de recherche de l’armée, la Fondation WM Keck et le Programme de recherche Blue Sky de Michigan Engineering.

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