En remplissant votre gourde ce matin, vous ne pensiez probablement pas au rôle central que l’eau pourrait jouer dans les prochains superordinateurs. Pourtant, c’est exactement le genre de réflexions qui animent Pierre‑Nicholas Roy (en anglais seulement), professeur à la University of Waterloo, qui étudie la dynamique moléculaire quantique de l’eau et prépare le terrain pour son application au traitement quantique.

Titulaire de la chaire de recherche du Canada en dynamique moléculaire quantique (en anglais seulement) dont le mandat a récemment été renouvelé, M. Roy est impatient d’approfondir les plus récentes découvertes de son équipe. En général, celle-ci compte une dizaine d’étudiantes et étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs et de chercheuses et chercheurs postdoctoraux. Comme la majeure partie du travail que doit réaliser son équipe repose sur des calculs mathématiques et des simulations informatiques, le professeur ne tient pas un laboratoire classique. Le financement de la chaire de recherche sert plutôt au recrutement de talents et à couvrir les coûts liés à l’usage de technologies de calcul à haute-performance. Il permet aussi aux membres de l’équipe de participer à des colloques pour interagir avec d’autres experts dans le domaine et établir de nouvelles collaborations.

« Avec la mécanique quantique, on peut entrevoir la possibilité de mettre au point des ordinateurs extrêmement rapides et un procédé de chiffrement hautement sécurisé », explique M. Roy. Il précise toutefois que ses recherches n’ont pas d’application concrète immédiate. « Je suis théoricien; je fais de la recherche fondamentale, donc l’aspect pratique n’est jamais mon objectif. Nous ne construisons pas une autoroute; nous frayons un sentier dans la forêt. »

Et ce travail de défrichage n’a rien de simple. M. Roy étudie le mouvement des molécules à l’échelle quantique. Il s’intéresse notamment à la molécule d’eau qui, selon ses recherches, a des propriétés particulières qui pourraient être exploitées pour stocker des informations quantiques.

Son équipe et lui ont récemment découvert un changement d’état quantique de l’eau. « En règle générale, l’eau se trouve à l’état gazeux, liquide ou solide. Mais il existe d’autres états, qui sont importants pour la fabrication de matériaux quantiques qui pourraient servir à des fins technologiques », poursuit le professeur.

Lorsque les molécules d’eau sont piégées et ne peuvent plus former de liaisons hydrogène, elles adoptent un comportement étonnant. « Nous avons remarqué que les molécules d’eau s’alignent lorsqu’elles sont rapprochées et qu’elles deviennent désordonnées quand elles s’éloignent. Quand elles sont confinées, les molécules d’eau peuvent s’aligner ou non; elles sont alors dotées de propriétés électriques très spéciales à l’échelle nanométrique », indique M. Roy.

Néanmoins, l’exploitation de ces propriétés quantiques présente quelques difficultés. Les molécules peuvent stocker de l’information quantique lorsqu’elles sont superposées de façon cohérente (par exemple, lorsque les molécules d’eau sont alignées et intriquées), mais elles finissent toujours par retourner à un état de décohérence et cessent alors d’emmagasiner cette information. L’objectif consiste donc à préserver la cohérence le plus longtemps possible.

« Il existe plusieurs stratégies qui permettent de maintenir la cohérence; dans le cas de la molécule d’eau, le spin nucléaire du proton pourrait être l’une d’elles », explique M. Roy. La particularité du spin est que son changement d’état est beaucoup plus long. « Les changements dus à des rotations ou à des vibrations se produisent habituellement en quelques picosecondes, alors que la conversion de spin peut prendre plusieurs heures. Avec le spin nucléaire et le confinement à l’échelle nanométrique, on a la possibilité de conserver l’information quantique beaucoup plus longtemps. »

La conversion de spin nucléaire est au cœur des travaux que M. Roy entend poursuivre grâce au financement renouvelé de sa chaire de recherche. Son équipe et lui ouvrent un chemin qui mènera peut-être un jour au traitement quantique fondé sur l’eau.

Le présent article a été adapté, traduit et publié avec l’autorisation de la University of Waterloo (en anglais seulement).