Le plus petit transistor du monde créé sur un seul atome

C'est un pas de plus vers la fabrication d'ordinateurs quantiques. Des physiciens australiens et américains, des universités de Purdue et de New South Wales, ont construit un transistor à partir d'un seul atome de phosphore incorporé dans un cristal de silicium, explique le New York Times. Une prouesse de précision et de technologie.
Pour faire simple, un transistor est un composant électronique permettant de traiter des informations. Les ordinateurs sont ainsi constitués de milliers, voire de millions de transistors, réunis en micro-processeurs. Depuis l’apparition des microprocesseurs dans les années 1970, tout l’enjeu a été de les miniaturiser au maximum, explique l’auteur:

«Les fabricants n’ont cessé de se rapprocher du plus petit composant que l’on est capable de construire. Pour les scientifiques, la publication de cette recherche montre la limite fondamentale jusqu’à laquelle les composants pourront rétrécir dans le futur. Actuellement, la plus petite dimension atteinte par le nec plus ultra des ordinateurs fabriqués par Intel est 22 nanomètres, soit moins de 100 atomes de diamètre».

L’équipe de scientifiques a réussi à créer un transistor sur un atome. Plus précisément: elle a ciblé un groupe de six atomes de silicium, matériau de base des puces électroniques, avant de remplacer l’un d’entre eux par un atome de phosphore. Si cette technique avait déjà été utilisée par le passé, explique la revue Nature Nanotechnology, qui a publié l’étude, elle n’avait jamais atteint une telle précision.

Depuis les années 1970, le nombre de transistors présents dans les microprocesseurs a doublé tous les deux ans en moyenne, vérifiant ainsi la loi de Moore. Si cette tendance se poursuit, les microprocesseurs pourront en compter 15 milliards aux alentours de 2015.

L’expérience réalisée par l’équipe de physiciens montre que cette miniaturisation «peut se poursuivre jusqu’à ce que les plus petites parties des microprocesseurs atteignent la taille d’un atome», écrit Wired. Il n’est bien sûr pas encore possible de construire un ordinateur entier avec cette nouvelle technologie, mais elle ouvre la possibilité d’un ordinateur quantique:

«Contrairement aux ordinateurs conventionnels basés sur des transistors avec des états "on/off" ou "1/0" distincts, les ordinateurs quantiques sont construits à partir d’appareils nommés qubits, qui exploitent les propriétés instables de la mécanique quantique: à la différence d’un transistor, un qubit peut représenter une multiplicité de valeurs simultanément.»

L’objectif reste le même: améliorer les performances des ordinateurs, leur vitesse et leur capacité de traitement. Une telle machine serait ainsi capable de résoudre les algorithmes les plus complexes et de traiter les nombres les plus grands bien plus rapidement que nos ordinateurs actuels.

Ce n’est pas le premier transistor monoatomique mais c’est la première fois qu’on en fabrique un de façon suffisamment contrôlée pour espérer passer un jour à une production industrielle. Dépassant les prédictions de la loi de Moore, la performance pourrait hâter la réalisation d’ordinateurs quantiques vraiment performants.
La loi énoncée par le fondateur d’Intel, Gordon Moore, a plus de quarante ans. Son énoncé précis a varié au cours des années mais on s’accorde généralement pour dire qu’elle affirme que le nombre de transistors des microprocesseurs sur une puce de silicium double tous les dix-huit mois. Il ne s'agit-là que d’une loi empirique mais elle était assez bien vérifiée par les progrès de la technologie depuis quelques dizaines d’années.

Cette constatation pourrait cependant être remise en cause suite à une publication dans Nature Nanotechnology d’un article faisant état d’une percée dans la réalisation des transistors sur un support en silicium. Un groupe international de chercheurs, principalement australiens, vient en effet d’annoncer être en mesure de fabriquer avec précision un transistor composé d’un unique atome de phosphore sur une couche d’atomes de silicium. Ce n’est pas la première fois que l’on parvient à réaliser un transistor avec un seul atome. Mais pour fabriquer des puces, il faut pouvoir construire des réseaux de transistors réguliers sur un support.

Une technique basée sur l’emploi d’un microscope à effet tunnel aurait donc permis aux chercheurs des universités de New South Wales, Purdue et Melbourne de vaincre les obstacles rencontrés jusqu’ici par leur collègues explorant le nanomonde. Or, comme l’un de ces chercheurs le précise dans une vidéo, la réalisation contrôlée de transistors monoatomiques est en avance sur la loi de Moore, qui la prévoyait pour 2020.

Du fait de la taille atomique de ce transistor, on atteindrait même une limite physique puisque l’on est là dans le domaine où règnent la mécanique quantique, son brouillard probabiliste et les inégalités de Heisenberg. Mais c’est aussi à ce niveau-là que des ordinateurs quantiques deviennent possibles et les chercheurs ne cachent par leur espoir d’ouvrir ainsi une nouvelle voie pour atteindre le saint Graal du supercalculateur quantique.

Comme toujours, la décohérence est le dragon à exorciser et pour beaucoup, cela tiendrait du miracle. On doit généralement refroidir à l’azote liquide les systèmes avec lesquels on veut réaliser des calculs quantiques. C'est d'ailleurs ce qu'il faut faire dans le transistor monoatomique présenté ici. Un mur de la loi de Moore a peut-être été franchi mais il n’est pas encore évident que la majorité des ordinateurs pourront en bénéficier dans les vingt ans à venir.