Des scientifiques du Département de physique de l'Université de Bâle et de l'Institut suisse des nanosciences ont réussi à améliorer considérablement la qualité des photons individuels générés par un système quantique. Les scientifiques ont réussi à mettre en pratique une prédiction théorique vieille de 10 ans. Avec leur papier, publié récemment dans Examen physique X , ils ont franchi une étape importante vers les applications futures de la technologie de l'information quantique.

Depuis plusieurs années, les scientifiques ont travaillé sur l'utilisation des spins des électrons pour stocker et traiter l'information. Une approche possible consiste à utiliser un système quantique dans lequel l'état quantique du spin électronique est lié à celui des particules lumineuses émises (photons).

Les centres de vacance d'azote (centres NV) sont considérés comme une structure éprouvée pour cette approche, permettant de lire et de manipuler facilement les spins des électrons. Ces centres NV sont des défauts naturels du réseau cristallin du diamant, sur lesquels les chercheurs ont pris le contrôle au cours des dernières décennies.

De meilleurs photons sont nécessaires

Les centres NV sont particulièrement intéressants dans le domaine du traitement de l'information quantique, car ils émettent des photons individuels qui portent des informations sur l'état de leur spin électronique. Ces photons peuvent à leur tour créer un enchevêtrement quantique entre divers centres NV; cet enchevêtrement peut être établi même sur de grandes distances et peut donc être utilisé pour la transmission de données.

Cependant, pour des applications en informatique quantique, des améliorations significatives seront nécessaires dans la quantité et surtout la qualité des photons émis, puisque jusqu'à présent, seule une fraction des photons peut être utilisée pour produire l'intrication.

Optimisation réussie

Le doctorant Daniel Riedel a aujourd'hui réussi à faire passer le rendement en photons utiles de ces centres NV de 3 % à une valeur actuelle de 50 %. En outre, il a pu presque doubler la vitesse à laquelle les photons sont émis.

Riedel a réalisé ces améliorations significatives en plaçant un morceau de diamant nanofabriqué, mesurant à peine quelques centaines de nanomètres de diamètre, entre deux petits miroirs. Il avait déjà été décrit théoriquement il y a 10 ans que le placement de centres NV à l'intérieur d'une cavité devait augmenter le rendement en photons. Jusqu'à maintenant, cependant, aucun groupe de recherche n'avait réussi à mettre cette théorie en pratique.

L'article a émergé dans le cadre d'une thèse de doctorat à l'école doctorale du Swiss Nanoscience Institute, qui a été créé en 2012. « Nous avons surmonté un obstacle important sur la voie de l'internet quantique, ", explique le professeur Richard Warburton, directeur du département de physique de l'Université de Bâle.

Professeur Patrick Maletinsky, qui a également supervisé les travaux, ajoute :« La combinaison unique d'expertises dans le domaine de la photonique, des structures diamantées spéciales et la nanofabrication ici à Bâle ont permis de relever pour la première fois ce défi vieux de 10 ans. »