La décohérence est le fléau des technologies quantiques. Dans les systèmes cohérents, la phase des fonctions d'onde représentant les états quantiques des particules dans le système ont des relations définies entre elles. Cela permet aux dispositifs quantiques de fonctionner d'une manière significative qui diffère des dispositifs classiques. Cependant, interagir avec le monde qui nous entoure conduit rapidement à la décohérence, ce qui rend plus difficile l'exploitation des effets quantiques pour améliorer l'efficacité des calculs ou la sécurité des communications. La recherche a montré que des systèmes quantiques avec des temps de cohérence incroyablement longs sont possibles dans le diamant, mais le diamant est loin d'être le favori des fabricants. Maintenant, des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Hefei et de l'Université de Wuhan en Chine ont démontré que le SiC peut se vanter de certains des mérites quantiques du diamant avec l'avantage supplémentaire du contrôle optique aux longueurs d'onde utilisées par l'industrie des télécommunications.

Les défauts prisés pour les technologies quantiques sont les centres à lacunes d'azote (NV), dans lequel un atome de carbone dans le diamant est remplacé par un azote avec un carbone manquant au site du réseau cristallin voisin. Ce qui rend ce type de défaut intéressant pour les technologies quantiques, c'est que vous pouvez contrôler ses états de spin quantique avec la lumière et produire un enchevêtrement photon-spin avec de longs temps de cohérence, même à température ambiante. Les difficultés surviennent lorsque l'on essaie de positionner la technologie dans le monde réel par opposition au laboratoire. Les interactions photon-spin pour les centres NV dans le diamant ont besoin de lumière aux longueurs d'onde visibles - les longueurs d'onde des télécommunications sont beaucoup plus longues. En outre, ces appareils finement conçus doivent être extraits de l'un des matériaux les plus durs (et les plus chers) connus de l'homme, celui pour lequel l'industrie n'a pas établi de protocoles de nanofabrication.

Il s'avère qu'il existe des types de défauts dans le SiC qui pourraient également être utiles pour les technologies quantiques. Le SiC est largement utilisé en électronique de puissance, des avenues commercialement viables pour produire des dispositifs SiC existent donc déjà. Au cours des 10 dernières années, les lacunes et les lacunes (où un ou une paire d'atomes dans le réseau sont absents) dans le SiC ont commencé à susciter l'intérêt lorsque les chercheurs ont appris qu'ils pouvaient également contrôler leurs états de spin avec de la lumière à température ambiante avec de longs temps de cohérence. L'observation des centres NV en SiC a vraiment suscité l'intérêt, car ceux-ci étaient optiquement actifs aux longueurs d'onde utilisées par l'industrie des télécommunications, par opposition aux longueurs d'onde visibles plus courtes nécessaires pour contrôler les états de spin des lacunes et des lacunes dans le SiC. "Nous nous sommes également intéressés à la question de savoir si les centres NV dans le matériau technique SiC peuvent être contrôlés de manière cohérente comme ceux du diamant, " dit Jin-Shi Xu, chercheur à l'Université des sciences et technologies de Chine, Hefei, Anhui et l'un des auteurs correspondants sur le rapport de ces derniers résultats.

Implantation optimisée

Le simple fait de dynamiter un échantillon avec des atomes d'azote peut créer des centres NV dans le SiC, car l'impact fait que les atomes d'azote prennent la place des atomes hôtes et en même temps un coude d'un atome voisin sur le chemin. Vous pouvez alors voir comment se comportent les défauts créés et s'ils peuvent être utiles pour les technologies quantiques en mesurant différentes réponses optiques, telles que la résonance magnétique optiquement détectable, les lignes de photoluminescence et de zéro phonon (où la lumière laser excite l'état du défaut sans donner ou prendre d'énergie aux vibrations du réseau).

Une complication est que l'impact peut faire exploser beaucoup d'autres atomes hôtes, trop, produisant des postes vacants et des postes vacants indésirables. Les écarts peuvent s'avérer particulièrement gênants car ils ressemblent à des centres NV avec certaines des mesures optiques. En outre, il n'y a pas seulement de nombreux types de centres NV avec des orientations différentes dans le réseau cristallin, mais aussi de nombreux polymorphes de SiC. « Nous étions très intéressés par les centres NV en 3C-SiC avec la ZPL [ligne zéro phonon] étant dans la gamme télécom en bande C, mais après avoir essayé de nombreux échantillons différents, nous n'avons toujours pas pu détecter les ZPL correspondantes, " dit Xu. " Nous nous sommes ensuite tournés vers le 4H-SiC et avons obtenu des résultats passionnants. "

En contrôlant la température de recuit, Xu et son collègue chercheur de l'USTC Chuan-Feng Li et leurs collaborateurs ont pu augmenter le signal des centres NV en ce qui concerne les inoccupations. L'ajustement d'autres paramètres tels que le temps de recuit a également permis d'augmenter la concentration des centres NV d'un facteur six. "Précédemment, les gens ne savaient pas si les centres NV pouvaient être isolés, " dit-il. " Nous avons essayé d'optimiser la fluence et la température de l'implant, et nous avons finalement trouvé que cela fonctionnait."

Avec les paramètres d'implantation optimisés, les chercheurs ont ensuite testé le degré de contrôle optique cohérent dont ils disposaient sur le système d'état de spin. Lorsqu'un système quantique avec deux états disponibles est éclairé par la lumière à la fréquence correspondant exactement à la différence d'énergie entre les états, le système basculera entre les états à une fréquence caractéristique. En mesurant ces "oscillations de Rabi, " les chercheurs ont pu confirmer qu'ils avaient un contrôle cohérent sur leur système, et que cela dure avec un temps de cohérence (T 2 ) de 17,2 µs.

Les temps de cohérence observés sont encore plus courts que ceux des centres NV du diamant où un T 2 de millisecondes a été observée. Cependant, il rivalise avec les temps de cohérence observés pour les divagations dans le SiC, avec l'avantage supplémentaire de fonctionner à des longueurs d'onde de télécommunication. En outre, les chercheurs ont déjà en tête des stratégies qui pourraient augmenter encore le temps de décohérence, y compris une concentration d'azote plus faible et la technologie de découplage dynamique. Le travail pose un argument « cohérent » pour des recherches plus approfondies sur les centres NV dans le SiC pour l'informatique quantique.

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