Les microaimants: un pas de géant pour l'informatique quantique

Expert sherbrookois de la manipulation de l'information quantique à l'aide de microaimants, Julien Camirand Lemyre a contribué avec son directeur de recherche, Michel Pioro-Ladrière, à une étude interuniversitaire publiée dans la revue Nature, laquelle pourrait faciliter le développement des futures générations d'ordinateurs quantiques.


Quelque 150 ans après l'invention du tableau périodique des éléments, des microaimants intégrés à des atomes artificiels ouvrent de nouveaux horizons dans la manipulation de l'information quantique.

C'est sous ce thème de recherche que Julien Camirand Lemyre a réalisé ses études de 3e cycle en physique à l'Institut quantique (IQ), sous la supervision du professeur Michel Pioro-Ladrière, l'inventeur de la technique des microaimants. Leur objectif: trouver la bonne unité de base, le bit quantique ou qubit, qui servira à fabriquer l'ordinateur quantique.

"Ma recherche est basée sur ce qu'on appelle une boîte quantique, explique Julien. Je fabrique des puces qui se comportent comme des atomes artificiels et qui permettent de piéger un seul et unique électron. Ma contribution dans mon doctorat, c'est l'utilisation de ce qu'on appelle des microaimants. Mon travail consiste à trouver une façon d'ajouter l'aimant aux boîtes quantiques sans corrompre les propriétés quantiques de la boîte. Ce n'est pas une tâche facile."

L'avantage des microaimants, c'est qu'ils permettent de manipuler l'information quantique, le spin, plus efficacement et plus rapidement. On espère qu'ils serviront d'assise pour construire l'ordinateur quantique. À ce jour, la technique des microaimants est la plus performante pour manipuler l'information quantique du spin dans les atomes artificiels.

Selon le professeur Pioro-Ladrière, les travaux de Julien portant sur les microaimants constituent la voie de l'avenir pour le procédé qui a été mis au point dans son laboratoire: "Lorsqu'on pense à un physicien ou à une physicienne, c'est souvent l'image du rat de laboratoire qui nous vient en tête. Julien, c'est tout le contraire. Il ose sortir du laboratoire, des murs de l'université, pour accélérer les découvertes. La contribution de Julien à la publication dans la prestigieuse revue Nature découle de son approche entrepreneuriale à la recherche."

Publication dans Nature

Depuis un certain temps, l'équipe du professeur Pioro-Ladrière, dont Julien fait partie, collabore à une étude interuniversitaire basée sur les microaimants. Il s'agit d'une collaboration entre l'UdeS et le Centre for Quantum Computation and Communication Technology de l'Université New South Wales, en Australie.

En intégrant l'approche des microaimants développée à l'UdeS à un dispositif à base de silicium purifié fabriqué par l'Université New South Wales, le groupe de recherche a réalisé une percée qui pourrait faire avancer l'informatique quantique. La découverte a d'ailleurs fait l'objet d'une publication dans la prestigieuse revue scientifique Nature.

"La plupart des expériences de qubits pour l'informatique quantique sont réalisées à de très basses températures, explique Julien. On parle d'une dizaine de millikelvins. C'est très froid, ce ne sont pas des températures qui existent sur la Terre ou même dans l'espace. On est en mesure de construire des réfrigérateurs à dilution qui atteignent ces températures. Dans notre article, l'architecture à base de microaimants permet de s'affranchir de cette contrainte et d'opérer les bits quantiques à plus haute température."

"On travaille à 1 kelvin, et c'est ça, la nouveauté. À cette température, on envisage d'être capable d'intégrer l'électronique de contrôle qu'il faut pour les qubits. Pour l'ordinateur quantique, ça représente un pas vers l'avant." annonce Julien Camirand Lemyre.


Il va sans dire que l'apport de l'IQ dans cette publication est majeur. En plus de fournir la technique permettant de placer les microaimants dans les boîtes quantiques, les chercheurs de l'IQ ont réalisé le design et la conception du dispositif. Quant aux chercheurs de l'Université New South Wales, ils ont fabriqué les dispositifs et effectué la démonstration expérimentale.

"L'expertise de nos collègues à l'Université New South Wales, c'est la manipulation de qubits de spin, mais aussi la fabrication sur des structures en silicium, poursuit l'étudiant. À Sherbrooke, nous avons l'habitude d'intégrer les microaimants à d'autres types d'architectures. On a donc mis en commun nos savoirs pour permettre la fabrication et l'implémentation."

Bien qu'il s'agisse d'une avancée importante, Julien n'entend pas se croiser les bras. "On n'a pas atteint les performances qu'on aimerait avoir. Il y a encore du travail à faire à ce niveau. Nous avons démontré comment opérer à plus haute température, et là, il faut améliorer les choses. On a fait un pas, et on va continuer de construire à partir de ce pas."

Dans un futur proche, on peut donc s'attendre à voir naître plus de collaborations entre l'IQ et d'autres laboratoires de science quantique. Qu'à cela ne tienne, la mise en commun d'expertises complémentaires, c'est l'une des forces de l'UdeS, mais aussi de Julien.

À propos de la publication parue dans Nature

L'étude Silicon quantum processor unit cell operation above one Kelvin est le fruit d'une collaboration entre l'Université de Sherbrooke et l'Université du New South Wales, en Australie. Les expériences et la rédaction de l'article ont été réalisées à l'Université New South Wales par 2 étudiants, Chih-Hwan Henry Yang et Ross Leon, sous la supervision du professeur Andrew S. Dzurak. Pour sa part, l'UdeS a mis à contribution son expertise touchant les microaimants par l'entremise de la participation de Julien et du professeur Michel Pioro-Ladrière.