La nanoélectronique ne peut être que quantique - CEA

oîte quantiqueconductanceN N + 1 N + 2 N + 3 … électronsFigure 3.Une boîte quantique(au centre de l’image) est unpetit îlot d’électrons dediamètre submicronique,séparé des contacts par unebarrière tunnel. Saconductance montre des picsen fonction de la tensiond’une grille placée àproximité (ici la grillecentrale) qui signale l’entréed’un nouvel électrondans l’îlot.5000 nmtension de l’électrodedes électrons donne des niveaux d’énergie discrets :quand l’énergie de l’électron injecté par les contactscoïncide avec l’un de ces niveaux, la conductance estmaximale. Pratiquement, pour changer les niveauxd’énergie, un potentiel est appliqué sur une électrodevoisine (figure 3).On pourrait s’attendre à ce que lacharge de l’îlot varie continûment comme si l’électrodeet l’îlot formaient les deux armatures d’une capacitémacroscopique. Mais, hors résonance, l’îlot échangedifficilement un électron avec les contacts: sa chargeest quantifiée. La charge varie alors par saut de e aupassage de chaque résonance de transmission. Celacorrespond à l’occupation d’un nouvel état accessible.La quantification de la charge est aussi renforcée parl’énergie de Coulomb (ou d’ionisation) qui est l’énergiecapacitive à “payer” pour extraire ou additionnerC’est qu’à tout instant l’objet quantiqueprésente la caractéristique de superposerplusieurs états, comme une onde peutêtre le résultat de l’addition de plusieursautres. Dans le domaine quantique, lahauteur d’une onde (assimilable à celled’une vague par exemple) a pour équivalentune amplitude de probabilité (ouonde de probabilité), nombre complexeassocié à chacun des états possibles d’unsystème qualifié ainsi de quantique.Mathématiquement, un état physiqued’un tel système est représenté par unvecteur d’état, fonction qui, en vertu duprincipe de superposition, peut s’ajouterà d’autres. Autrement dit, la somme dedeux vecteurs d’état possibles d’un systèmeest aussi un vecteur d’état possibledu système. De plus, le produit de deuxespaces vectoriels est aussi la sommede produits de vecteurs, ce qui traduitl’intrication: un vecteur d’état étant généralementétalé dans l’espace, l’idée delocalité des objets ne va plus de soi. Dansune paire de particules intriquées, c’està-direcréées ensemble ou ayant déjàinteragi l’une sur l’autre, décrite par leproduit et non par la somme de deux vecteursd’état individuels, le destin de chacuneest lié à celui de l’autre, quelle quesoit la distance qui pourra les séparer.Cette caractéristique, également appeléel’enchevêtrement quantique d’états, ades implications vertigineuses, sansparler des applications imaginables, dela cryptographie quantique à – pourquoine pas rêver? – la téléportation.Dès lors, la possibilité de prévoir le comportementd’un système quantique n’estqu’une prédictibilité probabiliste et statistique.L’objet quantique est en quelquesorte une “juxtaposition de possibles”.Tant que la mesure sur lui n’est pas faite,la grandeur censée quantifier la propriétéphysique recherchée n’est passtrictement définie. Mais dès que cettemesure est engagée, elle détruit lasuperposition quantique, par réductiondu paquet d’ondes, comme WernerHeisenberg l’énonçait en 1927.Toutes les propriétés d’un système quantiquepeuvent être déduites à partir del’équation proposée l’année précédentepar Erwin Schrödinger. La résolution decette équation de Schrödinger permetde déterminer l’énergie du système ainsique la fonction d’onde, notion qui a donctendance à être remplacée par celled’amplitude de probabilité.Selon un autre grand principe de la physiquequantique, le principe (d’exclusion)de Pauli, deux particules identiquesde spin 5 (c’est-à-dire des fermions, enparticulier les électrons) ne peuvent avoirà la fois la même position, le même spinet la même vitesse (dans les limitesposées par le principe d’incertitude),c’est-à-dire se trouver dans le mêmeétat quantique. Les bosons (en particulierles photons), ne suivent pas ce principeet peuvent se trouver dans le même étatquantique.La coexistence des états superposésdonne sa cohérence au système quantique.Dès lors, la théorie de la décohérencequantique peut expliquer pourquoiles objets macroscopiques ont uncomportement “classique” tandis queles objets microscopiques, atomes etautres particules, ont un comportementquantique. Plus sûrement encore qu’undispositif de mesure pointu, “l’environnement”(l’air, le rayonnement ambiant,etc.) exerce son influence, éliminantradicalement toutes les superpositionsd’état à cette échelle. Plus le systèmeconsidéré est gros, plus il est en effetcouplé à un grand nombre de degrés deliberté de cet environnement. Et doncmoins il a de “chances” – pour resterdans la logique probabiliste – de sauvegarderune quelconque cohérencequantique.POUR EN SAVOIR PLUSÉtienne KLEIN, Petit voyagedans le monde des quanta, Champs,Flammarion, 2004.CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005 17