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Gérer la chaleur pour obtenir des ordinateurs quantiques efficaces

L'informatique quantique est un domaine passionnant, mais pour exploiter les effets quantiques et dépasser l'informatique classique, elle doit fonctionner à très basses températures. La thermodynamique quantique pourrait aider les ingénieurs à réduire la quantité de chaleur dégagée, ce qui accélérerait les calculs.
Gérer la chaleur pour obtenir des ordinateurs quantiques efficaces
La thermodynamique a vu le jour au XIXe siècle, lorsque des scientifiques ont découvert comment construire et faire fonctionner le moteur à vapeur. Elle compte plusieurs réussites, qui ont littéralement révolutionné la vie de tous les jours, avec par exemple les réfrigérateurs, l'air conditionné et les avions à réaction.

Récemment encore, la thermodynamique n'était appliquée qu'à des systèmes de grande taille, gouvernés par la physique classique. Cependant, avec la miniaturisation des ordinateurs, qui atteint l'échelle nanométrique et le monde quantique, les scientifiques ont totalement changé d'opinion sur la thermodynamique, commençant à comprendre qu'elle s'appliquait à toutes les échelles.

La thermodynamique quantique est ainsi un nouveau domaine qui étudie les relations entre la thermodynamique et la mécanique quantique. Dans ce contexte, il faut revoir les interprétations, jusqu'ici bien établies, des notions de chaleur et de travail. À l'échelle quantique, la chaleur et le travail sont sujets aux fluctuations quantiques, décrites par les relations (mathématiques) de fluctuation. Le projet NEQUFLUX (Nonequilibrium quantum fluctuations in superconducting devices), financé par l'UE, a donc conduit des expériences pour tester et appliquer les relations de fluctuation quantique, afin de concevoir des nano-dispositifs efficaces.

Ces nano-dispositifs peuvent être considérés comme des moteurs thermiques quantiques, à l'instar de la machine à vapeur: ils prennent de la chaleur d'une source chaude (une résistance), en utilisent une partie pour générer du travail (sous la forme de photons), et transfèrent le reste à une source froide (une autre résistance). Ce moteur peut aussi fonctionner comme un réfrigérateur quantique et refroidir certaines parties d'une micro-puce.

Des portes quantiques, au fonctionnement spécial, gèrent le transport de chaleur dans la puce. Les expériences ont permis de mesurer la chaleur et le travail quantiques, ainsi que leurs fluctuations. Le dispositif était constitué de circuits supraconducteurs et fonctionnait à très basse température.

Les chercheurs ont aussi travaillé à un dispositif constitué de circuits supraconducteurs similaires, et qui utilise la chaleur externe pour transporter une charge le long d'un fil supraconducteur gravé sur la puce. Dans ce fil, les électrons sont liés en paires de Cooper, et le dispositif permet de les manipuler et de les transporter, même en présence d'un bruit thermique.

NEQUFLUX a étudié des méthodes pour tirer parti des dispositifs actuels de l'informatique quantique avec des circuits supraconducteurs, afin de diriger et de gérer la chaleur dans ces circuits, plutôt que l'information.

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Mots-clés

Ordinateurs quantiques, thermodynamique quantique, relations de fluctuation, NEQUFLUX, paires de Cooper