Les diamants pourraient-ils débloquer des qubits améliorés pour l’informatique quantique ?

Utilisation du diamant pour l’informatique quantique

Contrairement aux ordinateurs classiques qui utilisent des bits (0 & 1), les ordinateurs quantiques utilisent « qubits ». Les qubits peuvent exister dans plusieurs états simultanément grâce à deux propriétés quantiques : superposition et intrication.

• Superposition  permet aux qubits de représenter à la fois 0 et 1 simultanément, augmentant de façon exponentielle les données pouvant être traitées par rapport aux bits classiques.
• Intrication  relie les qubits de telle manière que l’état d’un qubit peut affecter instantanément un autre, même à grande distance.

Ces propriétés permettent aux QPU de résoudre des problèmes hautement complexes beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques en explorant simultanément plusieurs solutions.

« L’avantage des qubits est qu’ils peuvent contenir beaucoup plus d’informations que les bits classiques. Cela signifie qu’ils peuvent également nous fournir beaucoup plus d’informations sur leur environnement, ce qui les rend extrêmement précieux en tant que capteurs, par exemple. 

Alastair Stacey - Physicien principal de recherche et responsable des matériaux et dispositifs quantiques au PPPL.

Cependant, les qubits sont extrêmement fragiles, et mesurer leurs propriétés n’est pas une tâche aisée.

Et si nous comptions plutôt sur l’un des matériaux les plus durs de la Terre — le diamant — pour exécuter des tâches dans notre ordinateur le plus avancé ? C’est la vision des chercheurs de l’Université de Princeton, qui ont récemment publié dans Diamond And Related Materials, sous le titre « Modèle de chimie quantique des réactions de surface et modèle cinétique de la croissance du diamant : effets des radicaux CH3 et des molécules C2H2 à basse température CVD¹ ».

Cela rejoint les travaux d’autres chercheurs de l’Université de Melbourne et de Princeton, publiés sous le titre « Méthodes de préservation des centres colorés par terminaison à l’hydrogène du diamant² ».

Faire pousser des diamants à la demande

Les diamants, historiquement uniquement une pierre naturelle, sont aujourd’hui principalement fabriqués à partir de carbone brut. Cependant, ce processus nécessite une chaleur et une pression très intenses, ce qui empêche de le combiner avec d’autres matériaux comme le silicium utilisé dans les puces informatiques. Pour cela, une fabrication de diamant à basse température est nécessaire.

Certaines méthodes ont déjà été explorées, comme l’utilisation d’acétylène et d’une technique appelée « déposition chimique en phase vapeur assistée par plasma ».

Le problème est que, bien qu’il puisse faire pousser des diamants microscopiques, il dépose également beaucoup de suie, qui peut s’accumuler à la surface du diamant et nuire aux performances en optique, capteurs et puces. Jusqu’à présent, il n’était pas clair pourquoi la suie se formait au lieu de diamants.

Température « Goldilocks » et hydrogène

Les chercheurs ont découvert qu’il existe une température précise à laquelle le processus crée un diamant. Au‑dessus de cette température critique, l’acétylène contribue principalement à la croissance du diamant. En dessous de cette température critique, il contribue principalement à la formation de suie.

Un autre facteur est l’activité des atomes d’hydrogène à proximité de la surface du diamant. Avec davantage d’hydrogène près de la surface, davantage de diamants peuvent se former, même à des températures plus basses.

« Les atomes d’hydrogène n’alimentent pas directement la croissance du diamant, mais la dissociation de l’hydrogène, ou sa décomposition, est cruciale pour transformer le méthane en acétylène et transporter l’hydrogène atomique vers la surface de croissance du diamant. Ces deux processus sont essentiels à la croissance du diamant, 

Alexander Khrabry - Chercheur à l’Université de Princeton
Ensemble, ces connaissances sur la formation du diamant ouvrent la voie à la création fiable de diamants microscopiques directement à l’intérieur des semi‑conducteurs en silicium, sans endommager le reste du matériau par des températures élevées ni créer de suie indésirable.

Diamants quantiques

Les diamants simples constitués uniquement de carbone pourraient avoir quelques applications en optique et capteurs. Mais des formes de diamants plus avancées pourraient être encore plus utiles.

Par exemple, les diamants quantiques sont créés lorsque certains atomes de carbone du diamant sont remplacés par d’autres atomes, comme l’azote, et que d’autres atomes de carbone sont simplement retirés. Cela crée ce que l’on appelle une vacance d’azote (NV).

Dans un tel diamant, les électrons internes commencent à suivre les règles quantiques plutôt que la physique classique, ce qui pourrait être utilisé pour construire des qubits.

« Les électrons de ce matériau ne se comportent pas selon les lois de la physique classique comme le font les particules plus lourdes. Au contraire, comme tous les électrons, ils se comportent selon les lois de la physique quantique. 

Alastair Stacey - Physicien principal de recherche et responsable des matériaux et dispositifs quantiques au PPPL.

Perfectionner le guide du diamant

Jusqu’à présent, la méthode d’utilisation du plasma pour créer des diamants était loin d’être précise. Elle reposait sur de nombreux essais et erreurs, la théorie de ce qui se passe exactement à la surface du diamant n’étant pas bien comprise.
https://www.youtube.com/watch?v=DpgFRRIUb-8

Idéalement, le plasma pourrait également être utilisé pour ajouter une couche mono‑atomique d’hydrogène sur le diamant. Mais dans le cas des diamants quantiques, la haute température détruirait la vacance d’azote.

Ainsi, les chercheurs ont construit un système analytique élaboré (utilisant la spectroscopie de photoluminescence) afin de déterminer ce qui fonctionne le mieux pour créer une couche d’hydrogène sur les diamants NV.

Ils ont découvert que deux nouvelles méthodes pouvaient être utilisées, bien que chacune présente actuellement ses propres inconvénients.

• Recuit au gaz de formation, qui utilise un mélange de molécules d’hydrogène et de gaz d’azote, a fonctionné mais nécessitait un hydrogène très pur sans aucun oxygène, ce qui est difficile à obtenir à basse température.
• Terminaison par plasma froid, qui utilise le plasma d’hydrogène de façon indirecte, n’a pas endommagé le centre NV et était plus facile à mettre en œuvre, mais a créé une couche d’hydrogène de moindre qualité sur le diamant.

« Cela met en évidence le compromis entre la qualité de la surface et les propriétés du NV qui devra être équilibré dans les futures applications. Par exemple, dans les projets de détection biomoléculaire, il est absolument crucial que les NV soient préservés près des surfaces. 

Daniel McCloskey – Chercheur à l’Université de Melbourne.

Dans l’ensemble, ces découvertes ouvrent la voie à quelques nouvelles applications, auparavant difficiles ou impossibles, pour les diamants :

• Production directe sur des semi‑conducteurs en silicium, intégrant les diamants directement dans les circuits, capteurs et transistors.
• Production de diamants quantiques en qubits fonctionnels, incluant une couche d’hydrogène finement réglée à la surface du diamant.

Nouveaux ordinateurs quantiques

Les ordinateurs quantiques ont jusqu’à présent été construits à partir de méthodes connues découlant des tactiques de fabrication traditionnelles utilisées par l’industrie des semi‑conducteurs. Mais avec une technologie quantique si différente de l’informatique classique, il est logique que de nouveaux matériaux soient plus adaptés que le silicium traditionnel.
Cela peut inclure les diamants, permettant un jour l’informatique quantique à température ambiante, ce qui réduirait drastiquement les coûts et faciliterait la création d’ordinateurs quantiques plus grands.

« Construire un simulateur quantique avec plus de 50 qubits et un ordinateur quantique à température ambiante ouvre la porte à une montée en puissance vers un nombre plus élevé de qubits, comme 100 ou 1000, ce qui serait révolutionnaire pour des domaines tels que la cryptographie, l’IA et la science des matériaux. 

Cette capacité permettrait aux scientifiques de découvrir plus rapidement des médicaments salvateurs, de résoudre des problèmes d’optimisation difficiles ou de développer des technologies économes en énergie de manière plus efficace.

Martin Koppenhöfer – Coordinateur de projet chez SPINUS
En plus des diamants, d’autres matériaux innovants tels que, par exemple, les résonateurs nanomécaniques piézoélectriques en nitrure d’aluminium pourraient également être utilisés pour des capteurs quantiques ou des transducteurs quantiques.
Dans l’ensemble, il est probable que de nouveaux matériaux avancés constitueront une alternative solide au silicium et pousseront la promesse de l’informatique quantique bien au‑delà de ce que nous pouvons imaginer aujourd’hui.

Investir dans l’informatique quantique

L’informatique quantique ne fait que commencer, mais elle a déjà attiré l’attention de toutes les grandes entreprises informatiques qui ont conduit la révolution du silicium jusqu’à présent.
Elle pourrait rester à jamais limitée à des applications de niche plutôt qu’à nos ordinateurs, mais elle pourrait néanmoins devenir essentielle dans la modélisation de la physique, de la biologie, des sciences des matériaux, de la cryptographie et des applications militaires.
Vous pouvez investir dans des entreprises d’informatique quantique via de nombreux courtiers, et vous trouverez ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, au Canada, en Australie, au Royaume‑Uni, ainsi que dans de nombreux autres pays.
Si vous n’êtes pas intéressé par le choix d’entreprises spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers des ETF tels que le ProShares Nanotechnology ETF (TINY) ou le WisdomTree (WT ) Cloud Computing Fund (WCLD), qui offrent une exposition plus diversifiée pour profiter des actions d’informatique quantique et de nanotechnologie.
Ou vous pouvez consulter notre liste des « Top 10 des actions de nanotechnologie » et des « 5 meilleures entreprises d’informatique quantique ».

Entreprises d’informatique quantique

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) a été la force motrice derrière la commercialisation du premier ordinateur mainframe.

Cependant, elle a récemment perdu du terrain en volume de production face à d’autres géants technologiques comme Apple (AAPL ), TSMC (TSM ), et NVIDIA (NVDA )

Elle reste toutefois à la pointe du développement des ordinateurs quantiques. Par exemple, elle a développé son ordinateur quantique « Eagle » à 127 qubits, suivi d’un système à 433 qubits connu sous le nom d’« Osprey ».

Et cela est maintenant suivi par « Condor », un processeur quantique à 1 121 qubits supraconducteurs basé sur la technologie de porte à résonance croisée, ainsi que par « Heron », un processeur quantique à la pointe du domaine.

Les ordinateurs quantiques pourraient bénéficier d’un meilleur contrôle magnétique, améliorant la stabilité et la fiabilité des qubits, essentielles pour la puissance de traitement.

De même, les avancées dans les supraconducteurs, qui dépendent de champs magnétiques contrôlés, pourraient conduire à une transmission d’énergie et à des systèmes de refroidissement plus efficaces, notamment à des températures plus élevées.

IBM est impliquée dans la plupart des autres innovations de pointe en informatique et dans l’industrie des semi‑conducteurs. Cela comprend les matériaux organiques conducteurs, l’informatique neuromorphique, la photonique, etc.

Dans une certaine mesure, IBM est devenue une « entreprise de brevets » avec une expertise dans le développement de nouvelles méthodes informatiques et leur licence à l’industrie.

Jusqu’à présent, elle semble très déterminée à détenir autant de brevets clés que possible dans toutes les méthodes informatiques non basées sur le silicium, reproduisant son succès passé lorsqu’elle a contribué massivement au développement de l’industrie des semi‑conducteurs pour en faire le géant qu’elle est aujourd’hui.

Référence de l’étude :

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Modèle de chimie quantique des réactions de surface et modèle cinétique de la croissance du diamant : effets des radicaux CH₃ et des molécules C₂H₂ à basse température CVD. Diamond and Related Materials, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, D. J., Stacey, A., de Leon, N. P., & Kaganovich, I. D. (2024). Méthodes de préservation des centres colorés par terminaison à l’hydrogène du diamant. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}