Des chercheurs construisent le "transistor quantique pétahertz le plus rapide du monde"

L'électronique à ondes lumineuses ferait fonctionner les ordinateurs à des vitesses d'un million de fois supérieures

Des chercheurs construisent le "transistor quantique pétahertz le plus rapide du monde", l'électronique à ondes lumineuses ferait fonctionner les ordinateurs à des vitesses d'un million de fois supérieures.

Et si des impulsions lumineuses ultrarapides pouvaient faire fonctionner des ordinateurs à des vitesses un million de fois supérieures à celles des meilleurs processeurs actuels ? Une équipe de scientifiques, dont des chercheurs de l'université de l'Arizona, s'efforce de rendre cela possible. Ils ont mis au point le premier phototransistor à vitesse pétahertz au monde dans des conditions ambiantes. L'électronique à ondes lumineuses pourrait faire fonctionner les ordinateurs à des vitesses un million de fois supérieures à celles des meilleurs processeurs actuels.

Un ordinateur quantique est un ordinateur qui exploite les phénomènes de la mécanique quantique. À petite échelle, la matière physique présente des propriétés à la fois de particules et d'ondes, et l'informatique quantique tire parti de ce comportement en utilisant du matériel spécialisé. La physique classique ne peut expliquer le fonctionnement de ces dispositifs quantiques, et un ordinateur quantique évolutif pourrait effectuer certains calculs exponentiellement plus rapidement que n'importe quel ordinateur « classique » moderne.

L'unité d'information de base de l'informatique quantique, le qubit (ou « bit quantique »), remplit la même fonction que le bit de l'informatique classique. Toutefois, contrairement à un bit classique, qui peut se trouver dans l'un des deux états (binaire), un qubit peut exister dans une superposition de ses deux états « de base », un état qui se situe, dans un sens abstrait, « entre » les deux états de base.

Cependant, les ordinateurs quantiques ne sont pas encore utilisables pour des applications réelles. L'ingénierie physique de qubits de haute qualité s'est avérée difficile. Si un qubit physique n'est pas suffisamment isolé de son environnement, il souffre de décohérence quantique, ce qui introduit du bruit dans les calculs.

Récemment, des chercheurs de l'Université de l'Alberta ont mis au point le premier phototransistor à vitesse pétahertz au monde dans des conditions ambiantes. Dans le cadre d'un effort international novateur, des chercheurs du département de physique du College of Science et du James C. Wyant College of Optical Sciences ont démontré qu'il était possible de manipuler des électrons dans le graphène à l'aide d'impulsions lumineuses d'une durée inférieure à un millième de milliards de seconde.

En tirant parti d'un effet quantique connu sous le nom d'effet tunnel, ils ont enregistré des électrons contournant une barrière physique presque instantanément, un exploit qui redéfinit les limites potentielles de la puissance de traitement des ordinateurs. L'étude publiée montre que cette technique pourrait permettre d'atteindre des vitesses de traitement de l'ordre du pétahertz, soit plus de 1 000 fois plus rapides que les puces informatiques modernes.


"L'envoi de données à ces vitesses révolutionnerait l'informatique telle que nous la connaissons", a déclaré Mohammed Hassan, professeur agrégé de physique et de sciences optiques. Hassan s'intéresse depuis longtemps aux technologies informatiques basées sur la lumière et a déjà dirigé les efforts visant à mettre au point le microscope électronique le plus rapide au monde.

"Nous avons fait un énorme bond en avant dans le développement de technologies telles que les logiciels d'intelligence artificielle, mais la vitesse de développement du matériel informatique n'est pas aussi rapide", a déclaré Hassan. "Mais en nous appuyant sur la découverte des ordinateurs quantiques, nous pourrons développer du matériel qui correspondra à la révolution actuelle des logiciels informatiques. Les ordinateurs ultrarapides contribueront grandement aux découvertes dans les domaines de la recherche spatiale, de la chimie, des soins de santé, etc."

Hassan a travaillé avec ses collègues de l'Université de Californie, Nikolay Golubev, professeur adjoint de physique, Mohamed Sennary, étudiant diplômé en optique et en physique, Jalil Shah, chercheur postdoctoral en physique, et Mingrui Yuan, étudiant diplômé en optique. Ils ont été rejoints par des collègues du Jet Propulsion Laboratory de l'Institut de technologie de Californie et de l'Université Ludwig Maximilian de Munich en Allemagne.


À l'origine, l'équipe étudiait la conductivité électrique d'échantillons modifiés de graphène, un matériau composé d'une seule couche d'atomes de carbone. Lorsqu'un laser brille sur le graphène, l'énergie du laser excite les électrons du matériau, les fait bouger et les transforme en courant. Parfois, ces courants électriques s'annulent. Selon Hassan, cela est dû au fait que l'onde énergétique du laser se déplace de haut en bas, générant des courants égaux et opposés de part et d'autre du graphène. En raison de la structure atomique symétrique du graphène, ces courants se reflètent les uns les autres et s'annulent, ne laissant aucun courant détectable.

Mais que se passerait-il si un seul électron pouvait se faufiler à travers le graphène et que son parcours pouvait être capturé et suivi en temps réel ? Cette "tunnellisation" quasi instantanée est le résultat inattendu de la modification par l'équipe de différents échantillons de graphène.

"C'est ce que j'aime le plus dans la science : La véritable découverte vient de ce que l'on ne s'attend pas à voir se produire", a déclaré Hassan. "En entrant dans un laboratoire, on anticipe toujours ce qui va se passer, mais la vraie beauté de la science, ce sont les petites choses qui se produisent et qui nous poussent à approfondir nos recherches. Une fois que nous avons réalisé que nous avions obtenu cet effet tunnel, nous avons voulu en savoir plus"


À l'aide d'un phototransistor en graphène disponible dans le commerce et modifié pour y introduire une couche de silicium spéciale, les chercheurs ont utilisé un laser qui s'éteint et s'allume à une vitesse de 638 attosecondes pour créer ce que Hassan a appelé "le transistor quantique à pétahertz le plus rapide du monde". Un transistor est un dispositif qui agit comme un commutateur électronique ou un amplificateur qui contrôle le flux d'électricité entre deux points et qui est fondamental pour le développement de l'électronique moderne.

"À titre de référence, une attoseconde correspond à un quintillionième de seconde", a déclaré Hassan. "Cela signifie que cette réalisation représente un grand pas en avant dans le développement des technologies informatiques ultrarapides en réalisant un transistor à la vitesse du pétahertz." Alors que certaines avancées scientifiques sont réalisées dans des conditions strictes, notamment de température et de pression, ce nouveau transistor a fonctionné dans des conditions ambiantes, ce qui ouvre la voie à sa commercialisation et à son utilisation dans l'électronique de tous les jours.


Hassan travaille avec Tech Launch Arizona, le bureau qui collabore avec les chercheurs pour commercialiser les inventions issues de la recherche de l'université afin de les breveter et de les mettre sur le marché. Alors que l'invention originale utilisait un laser spécialisé, les chercheurs poursuivent le développement d'un transistor compatible avec les équipements disponibles dans le commerce.

"J'espère que nous pourrons collaborer avec des partenaires industriels pour réaliser ce transistor à vitesse pétahertz sur une micropuce", a déclaré Hassan. "L'université de l'Arizona est déjà connue pour son microscope électronique le plus rapide au monde, et nous aimerions également être connus pour le premier transistor à vitesse pétahertz."

Pour rappel, certains experts affirment que les attentes à l'égard de la technologie sont exagérées. L'informatique quantique est annoncée comme l'une des prochaines plus grandes révolutions technologiques. Mais pour l'instant, la technologie est en proie à un battage médiatique important qui empêche le grand public d'appréhender pleinement la technologie. Va-t-elle se matérialiser à l'avenir ? Si oui, comment impactera-t-elle l'humanité ?

Source : "Light-induced quantum tunnelling current in graphene"

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