A certains endroits du réseau cristallin, il manque un atome de carbone (blanc), et sur le site voisin il y a un atome d'azote (jaune). Crédit :Université de technologie de Vienne
Stocker des informations dans un système de mémoire quantique est un défi difficile, car les données sont généralement rapidement perdues. A la TU Vienne, des temps de stockage ultra-longs sont désormais atteints grâce à de minuscules diamants.
Avec des particules quantiques, l'information peut être stockée et manipulée - c'est la base de nombreuses technologies très prometteuses, tels que les capteurs quantiques extrêmement sensibles, la communication quantique ou même les ordinateurs quantiques. Il y a, cependant, un problème important :il est difficile de stocker des informations dans un système physique quantique pendant une longue période de temps. L'information quantique a tendance à se dissiper en quelques fractions de seconde en raison des interactions avec l'environnement.
À la TU Wien, il est désormais possible de stocker des informations quantiques pendant des heures à l'aide de diamants spéciaux. Cela rend l'information quantique encore plus stable que l'information conventionnelle stockée dans la mémoire de travail de nos ordinateurs. Les résultats de cette recherche sont maintenant publiés dans la revue Matériaux naturels .
Diamants avec défauts
Un système quantique spécial est utilisé à la TU Wien, qui a suscité un grand intérêt dans le monde entier. "Nous utilisons de minuscules diamants ensemencés intentionnellement avec de petits défauts, " dit Johannes Majer, Chef de groupe de recherche à l'Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien. Normalement, un diamant est composé uniquement d'atomes de carbone. En irradiant le diamant, il est possible d'introduire un atome d'azote dans la structure du diamant à la place d'un atome de carbone en certains points, qui laisse alors un point inoccupé dans le réseau cristallin à côté. Ce "défaut de réseau" est connu sous le nom de centre NV ou centre de manque d'azote. L'atome d'azote et le site vide peuvent prendre des états différents, donc ce site de défaut de réseau peut être utilisé pour stocker un bit quantique d'informations.
Le résonateur micro-ondes avec le diamant au milieu. En raison des défauts du réseau, le diamant est noir. Crédit :Université de technologie de Vienne
La question décisive est de savoir combien de temps cette information reste stable. "L'échelle de temps à laquelle un bit quantique perd généralement son énergie et avec elle les informations stockées est technologiquement l'une des caractéristiques les plus importantes d'un tel bit quantique, " explique Thomas Astner, l'auteur principal de la publication. « Comprendre précisément la raison de la perte d'énergie et la vitesse de ce processus est donc crucial. »
Pour la première fois, Les scientifiques de l'Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien ont maintenant pu déterminer expérimentalement la période caractéristique pendant laquelle les erreurs du diamant perdent leur information quantique. Les diamants ont été couplés à des micro-ondes afin que les informations quantiques puissent être écrites et lues. Le résonateur micro-ondes spécial utilisé à cet effet a été développé par Andreas Angerer à TU Wien en 2016. Il peut être utilisé pour déterminer, avec une grande précision, combien d'énergie est encore stockée dans le diamant.
Temps record
Les mesures ont été effectuées à des températures très basses, juste au-dessus du zéro absolu de température, à 20 millikelvins. La chaleur perturberait l'environnement du système et effacerait les informations quantiques. Il est devenu évident que les diamants peuvent stocker leurs informations sur plusieurs heures, beaucoup plus longtemps qu'on ne le croyait possible. "Les informations contenues dans la puce D-RAM d'une mémoire d'ordinateur ordinaire sont beaucoup moins stables. Là, l'énergie est perdue en quelques centaines de millisecondes, ce qui signifie que les informations doivent ensuite être actualisées, " dit Johannes Majer.
Tous les diamants présentant des défauts n'offrent pas les mêmes périodes de stockage. Le record est détenu par un diamant spécial fabriqué par l'équipe travaillant avec Junichi Isoya à l'Université de Tsukuba au Japon. Il a été irradié avec des électrons pendant plusieurs mois pour générer autant de défauts centraux N-V que possible sans introduire d'autres effets néfastes. Une période de stockage quantique de 8 heures a pu être mesurée dans ce diamant.
"Au début, nous pouvions à peine croire à ces merveilleux résultats, " explique Johannes Majer. Le phénomène a donc été étudié de manière approfondie à l'aide de simulations informatiques. Johannes Gugler et le professeur Peter Mohn (également à la TU Wien) ont effectué des calculs complexes qui ont conduit à l'explication que l'extraordinaire stabilité du stockage quantique du diamant est due à la treillis en diamant. "Alors que d'autres matériaux présentent des vibrations de treillis qui peuvent rapidement conduire à la perte de l'information stockée, le couplage de l'information quantique aux vibrations du réseau est très faible dans les diamants et l'énergie peut être stockée pendant des heures, " dit Thomas Astner.
