Un faisceau d'électrons (sarcelle) frappe un nanodiamant, exciter les plasmons et les vibrations dans le nanodiamant qui interagissent avec les défauts du centre de lacune d'azote de l'échantillon. Des photons corrélés (jaunes) sont émis par le nanodiamant, tandis que des photons non corrélés (jaunes) sont émis par un diamant voisin excité par des plasmons de surface (rouge). Crédit :Raphael Pooser/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie mènent des recherches en physique fondamentale qui permettront de mieux contrôler les systèmes et les matériaux quantiques mercuriels. Leurs études permettront des avancées dans l'informatique quantique, sentir, simulation, et le développement de matériaux.
Les résultats expérimentaux des chercheurs ont été récemment publiés dans Examen physique B Communication rapide et Lettres d'optique .
L'information quantique est considérée comme fragile car elle peut être perdue lorsque le système dans lequel elle est encodée interagit avec son environnement, un processus appelé dissipation. Des scientifiques des directions de l'informatique et des sciences informatiques et des sciences physiques de l'ORNL et de l'Université Vanderbilt ont collaboré pour développer des méthodes qui les aideront à contrôler - ou à conduire - les "fuites, " Comportement dissipatif inhérent aux systèmes quantiques.
"Notre objectif est de développer des plateformes expérimentales qui nous permettent de sonder et de contrôler la dynamique cohérente quantique dans les matériaux, " a déclaré Benjamin Lawrie, chercheur au sein de l'équipe de détection quantique du groupe des sciences de l'information quantique de l'ORNL. "Pour faire ça, il faut souvent être capable de comprendre ce qui se passe à l'échelle nanométrique."
Apporter des perspectives de la science de l'information quantique, nanosciences et microscopie électronique, les scientifiques exploitent les connaissances existantes sur la matière et la physique de la lumière et du son pour examiner la nature quantique des nanostructures, des structures mesurant environ un milliardième de mètre.
Un projet s'est concentré sur la conduite des défauts du centre de lacunes d'azote dans les nanodiamants avec des plasmons. Les défauts naturels sont créés lorsqu'un atome d'azote se forme à la place de l'atome de carbone typique, adjacent à une vacance sans atome. Les défauts sont à l'étude pour être utilisés dans des tests d'enchevêtrement, un état qui permettra de coder beaucoup plus d'informations dans un système quantique que ce qui peut être accompli avec l'informatique classique.
Les électrons génèrent un champ électrique. Lorsqu'un faisceau d'électrons est appliqué à un matériau, les électrons du matériau sont stimulés par le mouvement - un état appelé excitation - créant un champ magnétique qui peut ensuite être détecté sous forme de lumière. Travailler avec des plasmons, des excitations électroniques qui se couplent facilement à la lumière, permet aux scientifiques d'examiner les champs électromagnétiques à l'échelle nanométrique.
Matthieu Feldman, un étudiant diplômé de l'Université Vanderbilt menant des recherches doctorales à l'ORNL dans le cadre du programme de bourses d'études supérieures en sciences et en génie de la défense nationale et membre de l'équipe Quantum Sensing, utilisé un faisceau d'électrons à haute énergie pour exciter les centres de lacunes d'azote dans les nanoparticules de diamant, les obligeant à émettre de la lumière. Il a ensuite utilisé un microscope à cathodoluminescence appartenant à la Division Science et Technologie des Matériaux de l'ORNL, qui mesure la luminescence du spectre visible dans les matériaux irradiés, collecter les photons émis et caractériser les interactions à grande vitesse entre les centres de lacunes d'azote, plasmons et vibrations au sein du nanodiamant.
Modes plasmoniques nanospiraux à basse énergie isolés par microscopie à cathodoluminescence. Crédit :Jordan Hachtel/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Dans d'autres recherches, Jordan Hachtel, stagiaire postdoctoral au Centre des sciences des matériaux en nanophase de l'ORNL, utilisé le microscope à cathodoluminescence pour exciter des plasmons dans des nanospirales d'or. Il a exploré comment la géométrie des spirales pourrait être exploitée pour concentrer l'énergie dans des systèmes à l'échelle nanométrique. Andy Lupini a servi le projet en tant que consultant en microscopie, fournir une expertise en matière d'optimisation et de dépannage des équipements.
Un contrôle précis du transfert d'énergie à l'échelle nanométrique est nécessaire pour permettre un enchevêtrement de longue durée dans un modèle exploré par Eugene Dumitrescu, chercheur au sein du Quantum Information Science Group de l'ORNL. les recherches de Dumitrescu, publié dans Physical Review A fin 2017, ont montré que les statistiques de photons recueillies par Feldman pouvaient être utilisées dans des calculs pour montrer l'intrication.
"Ce travail fait progresser nos connaissances sur la façon de contrôler les interactions lumière-matière, apporter la preuve expérimentale d'un phénomène qui avait été précédemment décrit par des simulations, " a déclaré Lawrie.
Systèmes fermés, dans lequel l'information quantique peut être tenue à l'écart de son environnement, peut théoriquement empêcher la dissipation, mais les systèmes quantiques du monde réel sont ouverts à de nombreuses influences qui entraînent des fuites d'informations.
"L'éléphant dans la salle dans les discussions sur les systèmes quantiques, c'est la décohérence, " Feldman a déclaré. " Si nous pouvons modéliser un environnement pour influencer le fonctionnement d'un système quantique, nous pouvons permettre l'enchevêtrement."
Dumitrescu accepta. "Nous savons que les systèmes quantiques vont fuir. Un remède est de les piloter, " at-il dit. " Les mécanismes de conduite que nous explorons annulent les effets de la dissipation. "
Dumitrescu a utilisé l'analogie d'un instrument de musique pour expliquer les tentatives des chercheurs de contrôler les systèmes quantiques. "Si vous pincez une corde de violon, vous obtenez le son, mais il commence à se dissiper dans l'environnement, l'air, " dit-il. " Mais si vous tirez lentement l'arc sur la corde, vous obtenez un plus stable, son plus durable. Vous avez mis le contrôle sur le système."
Feldman pense que ce sont des temps fascinants pour les physiciens quantiques, car le domaine de l'informatique quantique est à la même phase que l'informatique classique au milieu du 20e siècle. "Ce qui m'excite le plus, c'est comment la recherche actuelle pourrait changer notre compréhension des systèmes et matériaux quantiques, " il a dit.
