Alors que les défauts d'un diamant sont pour la plupart indésirables, certains défauts sont le meilleur ami du physicien quantique, ayant le potentiel de stocker des bits d'information qui pourraient un jour être utilisés dans un système informatique quantique.

Des physiciens appliqués de l'Université Cornell ont démontré une technique permettant de concevoir certaines des propriétés optiques clés de ces défauts, fournir un nouvel outil pour explorer la mécanique quantique.

Un groupe de chercheurs dirigé par Greg Fuchs, professeur de physique appliquée et ingénieur, sont devenus les premiers à utiliser les vibrations produites par un résonateur pour aider à stabiliser ces propriétés optiques, forcer les électrons du diamant dans un état orbital excité. La recherche est détaillée dans l'article "Orbital State Manipulation of a Diamond Nitrogen-Vacancy Center Using a Mechanical Resonator, " publié le 17 avril dans la revue Lettres d'examen physique .

Tout comme les transistors d'un ordinateur enregistrent des informations binaires en étant soit « activés » ou « désactivés, " les états internes de ces défauts de diamant à l'échelle atomique peuvent également représenter des bits d'information, comme son spin - une forme intrinsèque de moment cinétique - étant "vers le haut" ou "vers le bas". Mais contrairement aux transistors, qui n'ont que deux états, le spin possède la capacité quantique de monter et descendre en même temps. Utilisé en combinaison, ces états quantiques pourraient enregistrer et partager des informations de manière exponentielle mieux que les transistors, permettant aux ordinateurs d'effectuer certains calculs à des vitesses autrefois inimaginables.

Le défi :il est difficile de transférer des informations quantiques d'un endroit à un autre. Les physiciens ont expérimenté un certain nombre de matériaux et de techniques pour ce faire, y compris l'utilisation de propriétés optiques à l'intérieur des défauts atomiques des diamants connus sous le nom de centres de lacunes d'azote.

« Une chose pour laquelle les centres de vacance d'azote du diamant peuvent être très bons est la communication. Vous pouvez donc avoir un spin d'électrons, qui est un bon état quantique, alors vous pouvez transférer son état dans un photon de lumière, " dit Fuchs, qui a ajouté que le photon peut alors transporter ce bit d'information vers un autre défaut. "L'un des défis de le faire est de le stabiliser et de le faire fonctionner comme vous le souhaitez. Nous avons fourni une nouvelle boîte à outils pour concevoir cette transition optique de manière à l'améliorer, espérons-le."

Il a d'abord fallu que l'équipe de recherche conçoive un appareil capable d'envoyer des ondes vibratoires à travers le défaut du diamant. Un résonateur mécanique à fréquence gigahertz a été fabriqué à partir d'un diamant monocristallin, puis des ondes sonores vibrant à environ 1 gigahertz ont été envoyées par défaut.

Le but était d'utiliser le son pour changer les transitions optiques du défaut, dans lequel le passage d'un état énergétique à un autre se traduit par l'émission d'un photon. Ces transitions ont tendance à fluctuer en fonction de diverses conditions environnementales, rendant difficile la production de photons cohérents pour véhiculer des informations.

Par exemple, des champs électriques fluctuant de manière aléatoire peuvent rendre la longueur d'onde de transition optique instable, selon Huiyao Chen, un doctorant qui a dirigé l'étude.

"Pour supprimer l'effet de ces fluctuations incohérentes, " Chen a dit, "une chose que nous pouvons faire est d'éliminer le couplage entre l'orbitale électronique et l'indésirable, champs électriques aléatoires. Et c'est là que les ondes sonores produites par le résonateur entrent en jeu."

Pour savoir si l'expérience a fonctionné, l'équipe de recherche a utilisé un microscope avec un laser à longueur d'onde accordable pour balayer le centre de vacance d'azote du diamant. Lorsque la longueur d'onde du laser était en résonance avec la transition optique, un photon émis peut être vu, un indicateur sûr que les électrons avaient atteint un état excité. Les chercheurs ont ensuite étudié comment les ondes sonores pouvaient modifier les états orbitaux, et ainsi changer la transition optique.