La technologie quantique devrait changer fondamentalement de nombreux domaines clés de la société. Les chercheurs sont convaincus qu’il y a beaucoup plus de propriétés et d’applications quantiques utiles à explorer que celles que nous connaissons aujourd’hui. Une équipe de chercheurs de l’Université de technologie de Chalmers en Suède a maintenant développé un logiciel open source et disponible gratuitement qui ouvrira la voie à de nouvelles découvertes dans le domaine et accélérera considérablement la recherche quantique.
D’ici quelques décennies, la technologie quantique devrait devenir une technologie clé dans des domaines tels que la santé, la communication, la défense et l’énergie. La puissance et le potentiel de la technologie résident dans les propriétés étranges et très particulières des particules quantiques.
Les propriétés supraconductrices des particules quantiques, qui confèrent aux composants une conductivité parfaite avec des propriétés magnétiques uniques, intéressent particulièrement les chercheurs dans ce domaine. Ces propriétés supraconductrices sont considérées comme conventionnelles aujourd’hui et ont déjà ouvert la voie à des technologies entièrement nouvelles utilisées dans des applications telles que les équipements d’imagerie par résonance magnétique, les trains maglev et les composants informatiques quantiques. Cependant, il reste des années de recherche et de développement avant qu’un ordinateur quantique puisse résoudre de vrais problèmes informatiques dans la pratique, par exemple. La communauté des chercheurs est convaincue qu’il y a beaucoup plus de découvertes révolutionnaires à faire dans la technologie quantique que celles que nous connaissons aujourd’hui.
Code open-source pour explorer de nouvelles propriétés supraconductrices
La recherche fondamentale sur les matériaux quantiques est à la base de toute innovation technologique quantique, depuis la naissance du transistor en 1947, en passant par le laser dans les années 1960 jusqu’aux ordinateurs quantiques d’aujourd’hui. Cependant, les expériences sur les matériaux quantiques sont souvent très gourmandes en ressources à développer et à mener, prennent de nombreuses années à se préparer et produisent pour la plupart des résultats difficiles à interpréter. Maintenant, cependant, une équipe de chercheurs de Chalmers a développé le logiciel libre SuperConga, qui est gratuit pour tout le monde et spécialement conçu pour effectuer des simulations et des analyses avancées de composants quantiques.
Le programme fonctionne au niveau mésoscopique, ce qui signifie qu’il peut effectuer des simulations capables de « capter » les propriétés étranges des particules quantiques, et également de les appliquer dans la pratique. Le code open-source est le premier du genre au monde et devrait pouvoir explorer de toutes nouvelles propriétés supraconductrices et éventuellement ouvrir la voie à des ordinateurs quantiques capables d’utiliser l’informatique avancée pour relever les défis sociétaux dans plusieurs domaines.
« Nous nous intéressons particulièrement aux supraconducteurs non conventionnels, qui sont une énigme en termes de fonctionnement et de propriétés. Nous savons qu’ils possèdent certaines propriétés souhaitables qui permettent de protéger les informations quantiques des interférences et des fluctuations. L’interférence est ce qui se passe actuellement. nous empêche d’avoir un ordinateur quantique utilisable dans la pratique. Et c’est là que la recherche fondamentale sur les matériaux quantiques est cruciale si nous voulons faire des progrès », déclare Mikael Fogelström, professeur de physique théorique à Chalmers.
Ces nouveaux supraconducteurs restent des matériaux hautement énigmatiques, tout comme l’étaient autrefois leurs frères et sœurs conventionnels lorsqu’ils ont été découverts en laboratoire il y a plus de cent ans. Après cette découverte, il faudra plus de 40 ans avant que les chercheurs puissent les décrire en théorie. Les chercheurs de Chalmers espèrent maintenant que leur code open source pourra contribuer à des découvertes et des domaines d’application complètement nouveaux.
« Nous voulons découvrir toutes les autres propriétés intéressantes des supraconducteurs non conventionnels. Notre logiciel est puissant, éducatif et convivial, et nous espérons qu’il contribuera à générer de nouvelles connaissances et à suggérer des applications entièrement nouvelles pour ces supraconducteurs inexplorés », déclare Patric Holmvall, chercheur postdoctoral en physique de la matière condensée à l’Université d’Uppsala.
Désir de faciliter la vie des chercheurs et étudiants quantiques
Pour pouvoir explorer de nouvelles découvertes révolutionnaires, des outils sont nécessaires pour étudier et utiliser les extraordinaires propriétés quantiques au niveau minimal des particules, et peuvent également être mis à l’échelle suffisamment pour être utilisés dans la pratique. Les chercheurs doivent travailler à l’échelle mésoscopique. Celle-ci se situe à l’interface entre l’échelle microscopique, c’est-à-dire le niveau atomique auquel les propriétés quantiques des particules peuvent encore être exploitées, et l’échelle macroscopique qui mesure les objets du quotidien de notre monde qui, contrairement aux particules quantiques, sont soumis aux lois de physique classique.
Grâce à la capacité du logiciel à travailler à ce niveau mésoscopique, les chercheurs de Chalmers espèrent maintenant faciliter la vie des chercheurs et des étudiants travaillant avec la physique quantique.
« Des modèles extrêmement simplifiés basés soit sur l’échelle microscopique, soit sur macroscopique sont souvent utilisés à l’heure actuelle. Cela signifie qu’ils ne parviennent pas à identifier toute la physique importante ou qu’ils ne peuvent pas être utilisés dans la pratique. Avec ce logiciel libre, nous voulons le rendre plus facile pour les autres d’accélérer et d’améliorer leur recherche quantique sans avoir à réinventer la roue à chaque fois », déclare Tomas Löfwander, professeur de physique quantique appliquée à Chalmers.
L’article « SuperConga : An open-source framework for mesoscopic supraconductivity » a été publié dans Examens de physique appliquée et a été rédigé par Patric Holmvall, Département de physique et d’astronomie, Université d’Uppsala, et Niclas Wall Wennerdal, Mikael Håkansson, Pascal Stadler, Oleksii Shevtsov, Tomas Löfwander et Mikael Fogelström, Département de microtechnologie et nanoscience de l’Université de technologie Chalmers, Suède .
SuperConga est un logiciel open-source et est téléchargement gratuit.
En savoir plus sur les échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique
Le régime mésoscopique est à l’interface entre les régimes macroscopique et microscopique. Dans le régime macroscopique (généralement des millimètres et plus), la physique classique domine, décrivant des objets du quotidien tels que des ballons de football, des chats ou peut-être une cafetière. Cela contraste avec le régime microscopique, où la physique quantique prévaut, et des objets beaucoup plus petits peuvent être mesurés, tels que des électrons, des atomes et d’autres particules.
Les propriétés étranges des particules quantiques peuvent être explorées à cette petite échelle – des propriétés qui leur permettent d’être à deux endroits à la fois ou d’être parfaitement conductrices. Les composants quantiques mésoscopiques (généralement des micromètres aux nanomètres) sont si petits que les propriétés étranges des particules quantiques peuvent être consultées et utilisées, mais aussi suffisamment grandes pour pouvoir être appliquées dans la pratique. Des codes open-source existent déjà pour des simulations au niveau microscopique ou plus macroscopique. SuperConga est le premier logiciel disponible gratuitement au monde capable de simuler des supraconducteurs au niveau mésoscopique.
Plus d’information:
P. Holmvall et al, SuperConga : Un cadre open-source pour la supraconductivité mésoscopique, Examens de physique appliquée (2023). DOI : 10.1063/5.0100324