La physique quantique au service du transfert de données informatiques.

Face aux défis technologiques et sociétaux que représentent le stockage, le transfert et le traitement des données informatiques, des dispositifs électroniques exploitant la nature quantique des électrons sont intégrés depuis déjà de nombreuses années dans les ordinateurs, smartphones et autres circuits électroniques que nous utilisons quotidiennement. Problème : l’information quantique portée par ces électrons et qui pourrait rendre ces ordinateurs encore plus puissants si elle était utilisée pleinement reste de nature très instable. Il est pratiquement impossible de la transporter sans la perdre entre les composants présents sur des cartes électroniques. Afin de palier à cette instabilité et de gagner considérablement en vitesse de traitement des données, trois équipes d’Université Paris Cité et de l’Université Catholique de Louvain, sous la direction de Clément Barraud du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, sont parvenues à créer une nanostructure artificielle permettant le transport sur des longues distances de l’information quantique en utilisant la spintronique, une technologie qui consiste à utiliser le spin de chaque électron en plus de leur charge. Les résultats de cette étude sont publiés ce 31 juillet 2020 dans la revue Science Advances.

Illustration d’un dispositif réalisé dans la centrale de micro- et nano-fabrication du laboratoire MPQ. « Un nanotube de carbone multiparoi modifié chimiquement est connecté entre deux électrodes magnétiques servant de source de spin et de détecteur de spin » présente Stéphan Suffit, co-auteur de l’étude. La présence des molécules sur la paroi externe du nanotube permet de concentrer l’information dans les parois internes. La vitesse de déplacement de l’information est de 5.105 m/s soit à peine 600 fois moins que la vitesse de la lumière.

La quantité des données traitées informatiquement connait une croissance exponentielle et va continuer de s’amplifier dans les années à venir notamment avec l’arrivée de la 5G. Chacun possède dans son smartphone ou son ordinateur plusieurs milliers de photos, des heures de vidéos ou encore de musique. Le stockage de l’ensemble de ces informations et leur exploitation afin d’être de lues, modifiées, et enregistrées représentent le cheminement classique du traitement de l’information par ordinateur. Afin d’optimiser au maximum ces processus, certains circuits spintroniques, technologie quantique nées dans les années 80 qui utilise le spin de l’électron en plus de sa charge, sont aujourd’hui présents dans pratiquement tous les éléments de stockage de l’information que ce soit dans un disque dur magnétique ou une MRAM (Magnetic Random Access Memory). « Problème, si le stockage de l’information sous forme magnétique a fait des progrès fulgurants ces dernières années, approchant les 40 Go/cm², le transport de l’information de spin sur puce reste délicat et très instable » rappelle Roméo Bonnet, premier auteur de cette étude. Pour dépasser le paradigme actuel des architectures informatiques, ce verrou technologique reste cependant absolument nécessaire à débloquer.

Une cage protectrice pour le transport de l’information à vitesse quantique.
L’information quantique est extrêmement fragile par essence. Si de nombreuses propositions théoriques ont émergé ces dernières années autour de circuits de logique de spin, surpassant la concurrence en termes de consommation d’énergie, un système optimisé de transport de l’information manquait donc toujours à l’appel. C’est le défi qu’ont relevé les équipes du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques et du laboratoire ITODYS d’Université Paris Cité en collaboration avec une équipe de théoriciens à l’Université Catholique de Louvain en Belgique. « Nous sommes parvenus à générer cette plateforme protectrice en utilisant des nanotubes de carbone multiparois dont seule la paroi externe est modifiée chimiquement par des molécules. Comme une cage. » explique Pascal Martin du laboratoire ITODYS.
Le bénéfice de cette modification chimique du nanotube est double : elle permet d’envoyer un signal de spin très fort tout en isolant les spins vers les parois internes du nanotube naturellement plus protégées contre les phénomènes de décohérence qui diluent l’information originale. « Des calculs basés sur les données expérimentales semblent porter la distance de transport de spin au-delà du millimètre contre quelques dizaines et centaines de micromètres mesurées auparavant dans le graphène, un système très proche. » ajoute Aurélien Lherbier de l’Université Catholique de Louvain. « Cette avancée technologique pourrait permettre de concrétiser cette nouvelle génération de dispositifs quantiques de logiques de spin, repoussant les limites des architectures actuelles d’ordinateur en permettant à la fois un gain de temps très important dans le traitement des données mais aussi dans la forte diminution de la consommation énergétique des ordinateurs » conclut Clément Barraud.

Source : Giant spin signals in chemically functionalized multiwall carbon nanotubes
Lien : https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eaba5494

Contact chercheurs
Aurélien Herbier : aurelien.lherbier@uclouvain.be
Clément Barraud : clement.barraud@u-paris.fr

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