Les ordinateurs quantiques sont des dispositifs expérimentaux qui offrent de grandes accélérations sur certains problèmes de calcul. Une approche prometteuse pour les construire consiste à exploiter les défauts atomiques à l'échelle nanométrique dans les matériaux diamantés.

Mais pratique, les dispositifs informatiques quantiques à base de diamant nécessiteront la capacité de positionner ces défauts à des emplacements précis dans des structures diamantées complexes, où les défauts peuvent fonctionner comme des qubits, les unités d'information de base en informatique quantique. Dans l'aujourd'hui de Communication Nature , une équipe de chercheurs du MIT, Université de Harvard, et Sandia National Laboratories rapporte une nouvelle technique pour créer des défauts ciblés, qui est plus simple et plus précis que ses prédécesseurs.

Dans les expériences, les défauts produits par la technique étaient, en moyenne, à moins de 50 nanomètres de leur emplacement idéal.

"Le scénario de rêve dans le traitement de l'information quantique est de faire un circuit optique pour faire la navette des qubits photoniques, puis de positionner une mémoire quantique là où vous en avez besoin, " dit Dirk Englund, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique qui a dirigé l'équipe du MIT. "Nous y sommes presque avec ça. Ces émetteurs sont presque parfaits."

Le nouvel article compte 15 co-auteurs. Sept sont du MIT, dont Englund et le premier auteur Tim Schröder, qui était post-doctorant dans le laboratoire d'Englund lorsque le travail a été effectué et est maintenant professeur assistant à l'Institut Niels Bohr de l'Université de Copenhague. Edward Bielejec a dirigé l'équipe Sandia, et le professeur de physique Mikhail Lukin a dirigé l'équipe de Harvard.

Défauts faisant appel

Ordinateurs quantiques, qui sont encore largement hypothétiques, exploiter le phénomène de "superposition" quantique, " ou la capacité contre-intuitive de petites particules d'habiter en même temps des états physiques contradictoires. Un électron, par exemple, peut être considéré comme étant à plusieurs endroits simultanément, ou avoir les deux orientations magnétiques opposées.

Là où un bit dans un ordinateur conventionnel peut représenter zéro ou un, un "qubit, " ou bit quantique, peut représenter zéro, une, Ou les deux à la fois. C'est la capacité des chaînes de qubits à, en quelques sortes, explorer simultanément plusieurs solutions à un problème qui promet des accélérations de calcul.

Les qubits de défaut de diamant résultent de la combinaison de « vacances, " qui sont des emplacements dans le réseau cristallin du diamant où il devrait y avoir un atome de carbone mais il n'y en a pas, et " les dopants, " qui sont des atomes de matériaux autres que le carbone qui ont trouvé leur chemin dans le réseau. Ensemble, le dopant et la vacance créent un "centre dopant-vacance, " qui a des électrons libres qui lui sont associés. L'orientation magnétique des électrons, ou "tourner, " qui peut être en superposition, constitue le qubit.

Un problème récurrent dans la conception des ordinateurs quantiques est de savoir comment lire les informations à partir des qubits. Les défauts du diamant présentent une solution simple, car ce sont des émetteurs de lumière naturelle. En réalité, les particules lumineuses émises par les défauts du diamant peuvent préserver la superposition des qubits, afin qu'ils puissent déplacer les informations quantiques entre les appareils informatiques quantiques.

Interrupteur en silicone

Le défaut du diamant le plus étudié est le centre de vacance d'azote, qui peut maintenir la superposition plus longtemps que tout autre qubit candidat. Mais il émet de la lumière dans un spectre de fréquences relativement large, ce qui peut conduire à des inexactitudes dans les mesures sur lesquelles repose l'informatique quantique.

Dans leur nouveau papier, le MIT, Harvard, et les chercheurs de Sandia utilisent plutôt des centres de vacance de silicium, qui émettent de la lumière dans une bande de fréquences très étroite. Ils ne maintiennent pas naturellement la superposition aussi, mais la théorie suggère que les refroidir à des températures de l'ordre du millikelvin – des fractions d'un degré au-dessus du zéro absolu – pourrait résoudre ce problème. (Les qubits du centre de vacance d'azote nécessitent un refroidissement à 4 kelvins relativement doux.)

Pour être lisible, cependant, les signaux des qubits luminescents doivent être amplifiés, et il doit être possible de les diriger et de les recombiner pour effectuer des calculs. C'est pourquoi la capacité de localiser avec précision les défauts est importante :il est plus facile de graver des circuits optiques dans un diamant puis d'insérer les défauts aux bons endroits que de créer des défauts au hasard et d'essayer ensuite de construire des circuits optiques autour d'eux.

Dans le processus décrit dans le nouveau document, les chercheurs du MIT et de Harvard ont d'abord raboté un diamant synthétique jusqu'à ce qu'il n'ait que 200 nanomètres d'épaisseur. Ensuite, ils ont gravé des cavités optiques dans la surface du diamant. Ceux-ci augmentent la luminosité de la lumière émise par les défauts (tout en raccourcissant les temps d'émission).

Puis ils ont envoyé le diamant à l'équipe de Sandia, qui ont personnalisé un appareil commercial appelé Nano-Implanter pour éjecter des flux d'ions de silicium. Les chercheurs de Sandia ont tiré 20 à 30 ions de silicium dans chacune des cavités optiques du diamant et l'ont renvoyé à Cambridge.

Postes mobiles

À ce point, seulement environ 2 pour cent des cavités avaient des centres de manque de silicium associés. Mais les chercheurs du MIT et de Harvard ont également développé des procédés pour dynamiter le diamant avec des faisceaux d'électrons pour produire plus de lacunes, puis chauffer le diamant à environ 1, 000 degrés Celsius, ce qui fait que les lacunes se déplacent autour du réseau cristallin afin qu'elles puissent se lier aux atomes de silicium.

Après que les chercheurs eurent soumis le diamant à ces deux processus, le rendement avait décuplé, à 20 pour cent. En principe, les répétitions des procédés devraient augmenter encore le rendement des centres de lacunes de silicium.

Lorsque les chercheurs ont analysé les emplacements des centres de vacance de silicium, ils ont constaté qu'ils étaient à environ 50 nanomètres de leurs positions optimales au bord de la cavité. Cela s'est traduit par une lumière émise qui était d'environ 85 à 90 % aussi brillante qu'elle pourrait l'être, ce qui est encore très bien.