La chimie supramoléculaire pour les technologies quantiques

Les nouvelles technologies utilisent de plus en plus les principes de la mécanique quantique pour diverses applications. Les unités fondamentales pour les technologies quantiques, par exemple, sont des bits quantiques (ou qubits). Tandis que dans un ordinateur classique les informations sont codées sous forme de bits qui ne peuvent prendre que deux valeurs, 0 ou 1, les qubits peuvent simultanément prendre les deux valeurs. L'utilisation de cette superposition de bits quantiques permet de résoudre des problèmes complexes liés à la communication sécurisée ou à la recherche d'informations dans de très grandes bases de données. Cette propriété permet également d’envisager de nouvelles technologies comme les ordinateurs quantiques.

Les « qubits » peuvent être obtenus avec des matériaux très divers : semi-conducteurs, atomes neutres, ions ou lacunes piégés dans des matrices… Mais le développement de matériaux purement organiques pourrait s’avérer particulièrement pertinent car ils peuvent être plus facilement préparés à grande échèle et la chimie nous offre la possibilité de contrôler finement leurs propriétés.

Parmi les matériaux prometteurs, les scientifiques de l‘Institut Charles Sadron (CNRS) s’intéressent à des systèmes moléculaires dont l’état quantique peut être imposé par la lumière. Ces systèmes photo-induits, appelés « dyades chromophore–radical »1 , pourraient permettre de réaliser des opérations quantiques. Hélas, ils sont obtenus par des longues synthèses aux nombreuses étapes de purification.

Jusqu’ici, on les obtenait en liant de manière covalente le chromophore et le radical. En collaboration avec une équipe de l’Université de Freiburg en Allemagne, les scientifiques sont parvenus à obtenir des dyades non plus moléculaires mais supramoléculaires. En utilisant des interactions de type hydrogène pour relier les deux parties des qubits, les mêmes qui maintiennent les hélices d’ADN ensemble, ils sont parvenus à réduire considérablement l’effort nécessaire pour les assembler. Les mesures de Résonance paramagnétique électronique (RPE) transitoire2  réalisées sur ces assemblages supramoléculaires montrent qu’ils remplissent les critères nécessaires pour être considérés comme des qubits moléculaires. 

Ces résultats indiquent que les interactions hydrogène permettent aux spins de communiquer de manière très efficace au sein de l’édifice supramoléculaire, lui conférant ses propriétés de qubit. Une propriété jusqu’à présent inconnue pour ce type d’interaction qui ouvre des perspectives dans la conception de matériaux pour de nouvelles applications comme, par exemple, la détection ultrasensible. Une étude parue dans Nature Chemistry.

Rédacteur : CCdM

• 1Une dyade chromophore–radical est un système moléculaire combinant un chromophore (entité chimique qui absorbe la lumière) et un radical, entité chimique possédant un électron célibataire dans sa structure électronique lui conférant un spin non nul.
• 2La RPE (Résonance Paramagnétique Électronique) est une technique spectroscopique qui permet d étudier les espèces chimiques possédant des électrons célibataires, comme les radicaux, les ions métalliques paramagnétiques…La RPE transitoire est résolue en temps suite à une illumination avec des lasers pulsés.