Un raccourci mathématique pour déterminer les durées de vie des informations quantiques


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  • Une nouvelle équation élégante permet aux scientifiques de calculer facilement la durée de vie de l’information quantique de 12 000 matériaux différents.

    Les scientifiques ont découvert un raccourci mathématique pour calculer une caractéristique très importante des dispositifs quantiques.

    Après avoir calculé les propriétés quantiques de 12 000 éléments et composés, les chercheurs ont publié une nouvelle équation permettant d’estimer la durée pendant laquelle les matériaux peuvent conserver des informations quantiques, appelée « temps de cohérence ».

    La formule élégante permet aux scientifiques d’estimer les temps de cohérence des matériaux en un instant – par rapport aux heures ou aux semaines qu’il faudrait pour calculer une valeur exacte.

    L’équipe, composée de scientifiques du laboratoire national d’Argonne du département américain de l’énergie (DOE), de l’université de Chicago, de l’université de Tohoku au Japon et de l’université d’Ajou en Corée, a publié ses résultats en avril dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

    Leur travail est soutenu par le Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials, un Energy Frontier Research Center financé par le US Department of Energy, et par Q-NEXT, un DOE National Quantum Information Science Research Center dirigé par Argonne.

    L’équation de l’équipe s’applique à une classe particulière de matériaux – ceux qui peuvent être utilisés dans des dispositifs appelés spin qubits.

    « Les gens ont dû s’appuyer sur des codes et des calculs compliqués pour prédire les temps de cohérence des qubits de spin. Mais maintenant, les gens peuvent calculer eux-mêmes la prédiction instantanément », a déclaré le co-auteur de l’étude Shun Kanai de l’Université de Tohoku. « Cela ouvre des opportunités aux chercheurs pour trouver par eux-mêmes la prochaine génération de matériaux qubit. »

    Les qubits sont l’unité fondamentale de l’information quantique, la version quantique des bits informatiques classiques. Ils se présentent sous différentes formes et variétés, y compris un type appelé spin qubit. Un qubit de spin stocke des données dans le spin d’un matériau – une propriété quantique inhérente à toute matière atomique et subatomique, comme les électrons, les atomes et les groupes d’atomes.

    Les scientifiques s’attendent à ce que les technologies quantiques puissent contribuer à améliorer notre vie quotidienne. Nous pourrions être en mesure d’envoyer des informations sur des réseaux de communication quantiques qui sont impénétrables aux pirates, ou nous pourrions utiliser des simulations quantiques pour accélérer l’administration de médicaments.

    La réalisation de ce potentiel dépendra de la disponibilité de qubits suffisamment stables – qui ont des temps de cohérence suffisamment longs – pour stocker, traiter et envoyer les informations.

    Bien que l’équation de l’équipe de recherche ne donne qu’une prédiction approximative du temps de cohérence d’un matériau, elle se rapproche assez de la valeur réelle. Et ce que l’équation manque de précision, elle le compense en commodité. Il ne nécessite que cinq nombres – les valeurs de cinq propriétés particulières du matériau en question – pour obtenir une solution. Branchez-les et voilà ! Vous avez votre temps de cohérence.

    Le diamant et le carbure de silicium sont actuellement les matériaux les mieux établis pour héberger les qubits de spin. Désormais, les scientifiques peuvent explorer d’autres candidats sans avoir à passer des jours à calculer si un matériau vaut la peine d’être approfondi.

    « L’équation est comme une lentille. Elle vous dit: » Regardez ici, regardez ce matériau – il semble prometteur «  », a déclaré Giulia Galli, professeure à l’Université de Chicago et scientifique principale d’Argonne, co-auteur de l’étude et Q- Collaborateur NEXT. « Nous recherchons de nouvelles plates-formes qubit, de nouveaux matériaux. L’identification de relations mathématiques comme celle-ci indique de nouveaux matériaux à essayer, à combiner. »

    Avec cette équation en main, les chercheurs prévoient d’augmenter la précision de leur modèle.

    Ils seront également en contact avec des chercheurs capables de créer les matériaux avec les temps de cohérence les plus prometteurs, en testant s’ils fonctionnent aussi bien que l’équation le prédit. (L’équipe a déjà marqué un succès : un scientifique extérieur à l’équipe a rapporté que le temps de cohérence relativement long d’un matériau appelé tungstate de calcium fonctionnait comme prévu par la formule de l’équipe.)

    « Nos résultats nous aident à faire progresser la technologie de l’information quantique actuelle, mais ce n’est pas tout », a déclaré Hideo Ohno, professeur à l’Université de Tohoku, actuellement président de l’université et co-auteur de l’article. « Il ouvrira de nouvelles possibilités en reliant la technologie quantique à une variété de systèmes conventionnels, nous permettant de faire encore plus de progrès avec les matériaux que nous connaissons déjà. Nous repoussons plus d’une frontière scientifique. »

    Ce travail était un soutienéd par le Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials, un Energy Frontier Research Center financé par le Département américain de l’énergie, Office of Science, Basic Energy Sciences, en collaboration avec le Département américain de l’énergie Office of Science National Quantum Information Science Research Centers.

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