Quand deux électrons jouent des coudes dans un circuit quantique

En matière d’ordinateur quantique, la recherche en est actuellement à un stade qui peut sans doute se comparer aux débuts de l’automobile, quand les ingénieurs et les inventeurs faisaient feu de tout bois pour tester, expérimenter et optimiser toutes de sortes de moteurs et de mécanismes. Cette phase « darwinienne » est essentielle dans tout processus technologique, car elle permet de faire émerger les solutions les plus prometteuses en termes de performance. Pour l’ordinateur quantique, la nature physique des qubits en interaction est actuellement l’objet d’expérimentations tous azimuths, via des réalisations de ces qubits par des photons en interactions, des atomes, des molécules ou des particules chargées : lesquels s’avèreront les constituants quantiques de nos ordinateurs futurs ?

L’étape préliminaire consiste à maîtriser la production et la manipulation individuelle de ces objets infinitésimaux. Dans le domaine de l’électronique quantique, les efforts de la dernière décennie ont permis de contrôler l’émission de charges à l’électron près. Cependant, il restait à réaliser l’émission synchronisée de deux électrons et à suivre de façon contrôlée leur interaction. À cette fin, des scientifiques de l’Institut Néel (CNRS), en collaboration avec des chercheurs japonais, ont mis récemment au point un collisionneur d’électrons à l'échelle nanométrique sur une puce de semiconducteurs. Un tel dispositif intègre deux sources d'électrons uniques qui peuvent être déclenchées avec précision sur une échelle de temps de l'ordre de la picoseconde. La paire d'électrons synchronisés est ensuite guidée par une onde acoustique de surface vers une région d'interaction où les deux charges se déplacent dans deux canaux parallèles séparés par une très fine paroi à travers laquelle ils peuvent interagir durant 14 nanosecondes. Malgré la brièveté de leur rencontre, les chercheurs ont observé une nette modification des trajectoires subséquentes des électrons qu’ils ont attribuée à l'interaction coulombienne répulsive (le principe d’exclusion de Pauli n’entrant pas dans l’interaction effective dans cette expérience). Cette démonstration expérimentale permet désormais d’envisager l’utilisation d’un tel électron volant comme capteur ultrarapide, ou pour générer un enchevêtrement quantique, élément clé de l'informatique quantique. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Nanotechnology.