Des impulsions lumineuses aux formes complexes ouvrent la voie à la dynamique accélérée des particules quantiques, permettant une commutation plus rapide d'un bit quantique. Crédit :Peter Allen.
Des ordinateurs portables aux téléphones portables, la technologie d'aujourd'hui progresse grâce à la vitesse toujours croissante à laquelle les charges électriques sont dirigées à travers les circuits. De la même manière, L'accélération du contrôle des états quantiques dans les systèmes atomiques et nanométriques pourrait conduire à des avancées dans le domaine émergent de la technologie quantique.
Une collaboration internationale entre des physiciens de l'Université de Chicago, Laboratoire National d'Argonne, Université McGill, et l'Université de Constance a récemment démontré un nouveau cadre pour un contrôle plus rapide d'un bit quantique. Publié pour la première fois en ligne le 28 novembre 2016, dans Physique de la nature , leurs expériences sur un seul électron dans une puce en diamant pourraient créer des dispositifs quantiques moins sujets aux erreurs lorsqu'ils fonctionnent à grande vitesse.
Accélérer la dynamique quantique
Pour comprendre leur expérience, on peut se tourner vers le cadre ultime pour la vitesse dans la dynamique classique :les pistes de course ovales à Indianapolis ou à Daytona 500. Pour permettre aux voitures de course de naviguer dans les virages à des vitesses impressionnantes, la chaussée de l'hippodrome est « inclinée » jusqu'à 30 degrés. Un étudiant en mécanique newtonienne pourrait expliquer que cette pente vers l'intérieur de la chaussée permet à la force normale fournie par la route d'aider à annuler l'accélération centrifuge de la voiture, ou sa tendance à glisser vers l'extérieur du virage. Plus la vitesse est grande, plus l'angle d'inclinaison requis est grand.
"La dynamique des particules quantiques se comporte de manière analogue, " dit Aashish Clerk, professeur de physique théorique à l'Université McGill. "Bien que les équations du mouvement soient différentes, pour changer avec précision l'état d'une particule quantique à grande vitesse, vous devez concevoir la bonne voie pour transmettre les bonnes forces."
Brian Zhou, chercheur postdoctoral à l'Université de Chicago, aligne les lasers sur les puces de diamant utilisées dans les expériences. Crédit :Awschalom Lab.
Employé de bureau, en collaboration avec les boursiers postdoctoraux de McGill Alexandre Baksic et Hugo Ribeiro, a formulé une nouvelle technique pour permettre une dynamique quantique plus rapide en absorbant habilement les accélérations néfastes ressenties par la particule quantique. Ces accélérations, à moins d'être indemnisé, détournerait la particule de sa trajectoire prévue dans l'espace des états quantiques, semblable à la façon dont l'accélération centrifuge dévie la voiture de course de sa ligne de course prévue sur la piste.
Grâce à des conversations avec des membres de son propre groupe et du groupe des greffiers, David Awschalom, professeur en spintronique et information quantique à l'Institute for Molecular Engineering de l'Université de Chicago, s'est rendu compte que la nouvelle théorie pouvait être utilisée pour accélérer les dispositifs quantiques à base de diamant dans ses laboratoires. Cependant, tout comme la construction des autoroutes inclinées présentait des défis en génie civil, exécutant expérimentalement les séquences de contrôle envisagées par Clerk et ses collègues ont présenté celles en ingénierie quantique.
Construire la voie rapide quantique nécessitait une forme brillante, impulsions laser synchronisées sur des électrons isolés piégés au niveau des défauts à l'intérieur de leurs puces de diamant. Cet exploit expérimental a été réalisé par l'auteur principal Brian Zhou, travailler avec Christopher Yale, F. Joseph Heremans, et Paul Jerger.
"Nous avons démontré que ces nouveaux protocoles pouvaient inverser l'état d'un bit quantique, de 'off' à 'on, ' 300 % plus rapide que les méthodes conventionnelles, " dit Awschalom, également chercheur principal au Laboratoire national d'Argonne. « Écarter chaque nanoseconde du temps de fonctionnement est essentiel pour réduire l'impact de la décohérence quantique, " il expliqua, se référant au processus par lequel l'information quantique est perdue dans l'environnement
Le professeur Guido Burkard et Adrian Auer de l'Université de Constance ont rejoint les groupes Awschalom et Clerk pour examiner les données des expériences. Un expert de premier plan dans les systèmes quantiques à base de diamant, Burkard a fait remarquer, "Ce qui est prometteur pour traduire ces techniques au-delà du laboratoire, c'est qu'elles sont efficaces même lorsque le système n'est pas parfaitement isolé."
Les chercheurs prévoient que leurs méthodes peuvent être davantage appliquées pour un contrôle rapide et précis du mouvement physique des atomes ou du transfert d'états quantiques entre différents systèmes, et transmettre des avantages aux applications quantiques, telles que les communications sécurisées et la simulation de systèmes complexes.
