Une équipe internationale dirigée par l'Institute for Molecular Engineering de l'Université de Chicago a découvert comment manipuler une étrange interface quantique entre la lumière et la matière dans le carbure de silicium le long des longueurs d'onde utilisées dans les télécommunications.

Les travaux font progresser la possibilité d'appliquer les principes de la mécanique quantique aux réseaux de fibres optiques existants pour des communications sécurisées et des calculs quantiques répartis géographiquement. Le professeur David Awschalom et ses 13 co-auteurs ont annoncé leur découverte dans le numéro du 23 juin de Examen physique X .

"Le carbure de silicium est actuellement utilisé pour construire une grande variété d'appareils électroniques classiques aujourd'hui, " dit Awschalom, le professeur de la famille Liew en génie moléculaire à UChicago et un scientifique principal au Laboratoire national d'Argonne. "Tous les protocoles de traitement sont en place pour fabriquer de petits dispositifs quantiques à partir de ce matériau. Ces résultats offrent une voie pour amener la physique quantique dans le monde technologique."

Les résultats sont en partie basés sur des modèles théoriques des matériaux réalisés par les co-auteurs d'Awschalom à l'Académie hongroise des sciences à Budapest. Un autre groupe de recherche de l'université suédoise de Linköping a cultivé une grande partie du matériau en carbure de silicium que l'équipe d'Awschalom a testé lors d'expériences à UChicago. Et une autre équipe des National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology au Japon a aidé les chercheurs d'UCicago à créer des défauts quantiques dans les matériaux en les irradiant avec des faisceaux d'électrons.

La mécanique quantique régit le comportement de la matière aux niveaux atomique et subatomique de manière exotique et contre-intuitive par rapport au monde quotidien de la physique classique. La nouvelle découverte repose sur une interface quantique au sein de défauts à l'échelle atomique dans le carbure de silicium qui génère la propriété fragile de l'intrication, l'un des phénomènes les plus étranges prédits par la mécanique quantique.

L'enchevêtrement signifie que deux particules peuvent être si inextricablement liées que l'état d'une particule peut instantanément influencer l'état de l'autre, peu importe à quelle distance ils sont.

"Cette nature non intuitive de la mécanique quantique pourrait être exploitée pour garantir que les communications entre deux parties ne sont pas interceptées ou altérées, " a déclaré Awschalom.

Exploiter la mécanique quantique

Les résultats renforcent l'opportunité autrefois inattendue de créer et de contrôler des états quantiques dans des matériaux qui ont déjà des applications technologiques, Awschalom a noté. La poursuite du potentiel scientifique et technologique de ces avancées deviendra l'objectif du nouveau Chicago Quantum Exchange, qu'Awschalom dirigera.

Un aspect particulièrement intrigant du nouvel article était que les défauts des semi-conducteurs en carbure de silicium ont une affinité naturelle pour déplacer l'information entre la lumière et le spin (une propriété magnétique des électrons). "Une inconnue clé a toujours été de savoir si nous pouvions trouver un moyen de convertir leurs états quantiques en lumière, " a déclaré David Christle, chercheur postdoctoral à l'Université de Chicago et auteur principal de l'ouvrage. "Nous savions qu'une interface lumière-matière devait exister, mais nous aurions peut-être été malchanceux et trouvé qu'il était intrinsèquement inapproprié pour générer un enchevêtrement. Nous avons été très fortuits en ce sens que les transitions optiques et le processus qui convertit le spin en lumière sont de très haute qualité."

Le défaut est un atome manquant qui amène les atomes voisins dans le matériau à réorganiser leurs électrons. L'atome manquant, ou le défaut lui-même, crée un état électronique que les chercheurs contrôlent avec un laser infrarouge accordable.

« Qu'est-ce que la qualité signifie essentiellement : Combien de photons pouvez-vous obtenir avant d'avoir détruit l'état quantique du spin ? » dit Abram Falk, chercheur au centre de recherche IBM Thomas J. Watson à Yorktown Heights, NEW YORK., qui connaît le travail mais pas un co-auteur sur le papier.

Les chercheurs d'UCicago ont découvert qu'ils pouvaient potentiellement générer jusqu'à 10, 000 photons, ou des paquets de lumière, avant qu'ils ne détruisent l'état de spin. "Ce serait un record du monde en termes de ce que vous pourriez faire avec l'un de ces types d'états défectueux, " ajouta Falk.

L'équipe d'Awschalom a pu transformer en lumière l'état quantique de l'information provenant des spins d'un seul électron dans des plaquettes commerciales de carbure de silicium et la lire avec une efficacité d'environ 95 %.

Cohérence milliseconde

La durée de l'état de rotation - appelé cohérence - que l'équipe d'Awschalom a atteint était d'une milliseconde. Pas grand-chose par rapport aux normes d'horloge, mais beaucoup dans le domaine des états quantiques, dans lequel plusieurs calculs peuvent être effectués en une nanoseconde, ou un milliardième de seconde.

L'exploit ouvre de nouvelles possibilités dans le carbure de silicium car ses défauts à l'échelle nanométrique sont une plate-forme de premier plan pour les nouvelles technologies qui cherchent à utiliser les propriétés de la mécanique quantique pour le traitement de l'information quantique, détecter les champs magnétiques et électriques et la température avec une résolution à l'échelle nanométrique, et des communications sécurisées à l'aide de la lumière.

"Il y a environ une industrie d'un milliard de dollars d'électronique de puissance construite sur du carbure de silicium, " dit Falk. " Après ce travail, il y a une opportunité de construire une plate-forme de communication quantique qui tire parti de ces dispositifs classiques très avancés dans l'industrie des semi-conducteurs, " il a dit.

La plupart des chercheurs étudiant les défauts pour les applications quantiques se sont concentrés sur un défaut atomique dans le diamant, qui est devenu un banc d'essai populaire de lumière visible pour ces technologies.

"Le diamant a été cette énorme industrie du travail de contrôle quantique, " a noté Falk. Des dizaines de groupes de recherche à travers le pays ont passé plus d'une décennie à perfectionner le matériau pour atteindre les normes que le groupe d'Awschalom a maîtrisées en carbure de silicium après seulement quelques années d'enquête.

Polyvalence du carbure de silicium

"Il existe de nombreuses formes différentes de carbure de silicium, et certains d'entre eux sont couramment utilisés aujourd'hui en électronique et en optoélectronique, " Awschalom a déclaré. "Les états quantiques sont présents dans toutes les formes de carbure de silicium que nous avons explorées. C'est de bon augure pour introduire des effets de mécanique quantique dans les technologies électroniques et optiques."

Les chercheurs commencent maintenant à se demander si ce type de physique peut également fonctionner dans d'autres matériaux, Falk a noté.

"De plus, pouvons-nous concevoir rationnellement un défaut qui a les propriétés que nous voulons, pas seulement tomber sur un ?", a-t-il demandé.

Les défauts sont la clé.

"Pendant des décennies, l'industrie électronique a mis au point une myriade d'astuces pour éliminer tous les défauts de leurs appareils, car les défauts causent souvent des problèmes dans l'électronique conventionnelle, " Awschalom a expliqué. " Ironiquement, nous remettons les défauts pour les systèmes quantiques."