Des ordinateurs ultra-rapides contrôlés par la lumière

L’avenir de nos ordinateurs sera littéralement à la vitesse de la lumière. Des impulsions lumineuses extrêmement courtes peuvent réaliser des opérations logiques ultra-rapides : ce sont les conclusions d’une étude récemment publiée dans la prestigieuse revue Nature Photonics. L’étude a été menée par un groupe de chercheurs du Département de physique du Politecnico di Milano (Université polytechnique de Milan), en collaboration avec l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN) – Institut pour la photonique et les nanotechnologies du Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) – Conseil national de la recherche, et avec des centres de recherche internationaux.

Le coordinateur du projet était Giulio Cerullo, professeur de physique au Politecnico di Milano. Il a dirigé une équipe du département composée des professeurs Stefano Dal Conte et Margherita Maiuri, et des chercheurs Francesco Gucci (auteur principal de l’article) et Mattia Russo. Le chercheur Franco Camargo a également participé à l’étude au nom de l’IFN-CNR.

L’étude représente une étape importante vers le développement d’une nouvelle génération de technologies de traitement de l’information, potentiellement des centaines de fois plus rapides que ce dont nous disposons actuellement. Les ordinateurs actuels reposent sur le mouvement des charges électriques dans les transistors ; cependant, ils ne peuvent atteindre qu’une fréquence maximale dont les limites physiques sont difficiles à dépasser. Contrairement à l’électronique traditionnelle, basée sur le mouvement des charges électriques, cette approche innovante manipule l’état des électrons dans la matière par l’utilisation de la lumière oscillante.

Comme l’a expliqué Giulio Cerullo du Politecnico di Milano : « Nous avons montré que la lumière peut être utilisée non seulement pour transmettre des informations, mais aussi pour les traiter. Avec l’utilisation d’impulsions laser ultra-courtes, nous pouvons contrôler les états quantiques de la matière sur des échelles de temps de quelques millionièmes de milliardième de seconde : c’est-à-dire aux mêmes fréquences que les oscillations lumineuses, des vitesses jusque-là inconnues en électronique. » Ces opérations sont réalisées à des fréquences supérieures à 10 térahertz, soit plus de cent fois plus rapides que les meilleurs dispositifs électroniques modernes.

Pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont utilisé les propriétés physiques d’un nouveau semi-conducteur bidimensionnel, le disulfure de tungstène (WS₂), qui n’a que trois couches atomiques d’épaisseur. En raison des phénomènes quantiques associés à ce film nanométrique, les électrons peuvent occuper deux états quantiques distincts en son sein, appelés « vallées ». Ces vallées peuvent être utilisées comme une nouvelle unité d’information, similaire à zéro et un pour les ordinateurs traditionnels, mais beaucoup plus rapides à contrôler.

En utilisant une séquence précise d’impulsions laser de seulement quelques femtosecondes (millionièmes de milliardième de seconde), les chercheurs ont pu activer, désactiver et étendre l’information de manière sélective, réalisant ainsi des opérations logiques à proprement parler, similaires à celles des circuits électroniques, mais à des vitesses immensément plus élevées. Tout cela a été réalisé à température ambiante, et en utilisant des impulsions lumineuses déjà couramment disponibles dans les laboratoires. L’étude permet également de mesurer combien de temps cette information quantique reste stable dans le matériau, un aspect critique pour les futures applications technologiques.

Comme l’a souligné Franco Camargo (IFN-CNR) : « À l’avenir, cette preuve de concept indique un certain nombre de nouveaux défis scientifiques et technologiques que nous devons surmonter pour produire des dispositifs compétitifs basés sur ce principe : de la création de séquences d’impulsions toujours plus complexes à la possibilité d’augmenter le nombre de bits dans des dispositifs réalisables. » Surmonter ces barrières ouvrira la voie à une nouvelle classe de dispositifs logiques ultra-rapides, transformant cette preuve de concept en une technologie réelle pour les ordinateurs du futur.

Article : Encoding and manipulating ultrafast coherent valleytronic information with lightwaves – Journal : Nature Photonics – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Université polytechnique de Milan