Un internet quantique promet une communication totalement sécurisée. Mais l'utilisation de bits quantiques ou de qubits pour transporter des informations nécessite un matériel radicalement nouveau :une mémoire quantique. Ce dispositif à l'échelle atomique doit stocker des informations quantiques et les convertir en lumière à transmettre sur le réseau.

Un défi majeur à cette vision est que les qubits sont extrêmement sensibles à leur environnement, même les vibrations des atomes proches peuvent perturber leur capacité à se souvenir des informations. Jusque là, les chercheurs se sont appuyés sur des températures extrêmement basses pour calmer les vibrations mais, atteindre ces températures pour les réseaux quantiques à grande échelle est prohibitif.

Maintenant, Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et de l'Université de Cambridge ont développé une solution de mémoire quantique aussi simple que d'accorder une guitare.

Les chercheurs ont conçu des cordes de diamant qui peuvent être réglées pour calmer l'environnement d'un qubit et améliorer la mémoire de quelques dizaines à plusieurs centaines de nanosecondes, suffisamment de temps pour effectuer de nombreuses opérations sur une puce quantique.

"Les impuretés dans le diamant sont devenues des nœuds prometteurs pour les réseaux quantiques, " a déclaré Marko Loncar, le professeur Tiantsai Lin de génie électrique à SEAS et auteur principal de la recherche. "Toutefois, ils ne sont pas parfaits. Certains types d'impuretés sont très efficaces pour retenir les informations mais ont du mal à communiquer, tandis que d'autres sont de très bons communicateurs mais souffrent de pertes de mémoire. Dans ce travail, nous avons pris ce dernier type et amélioré la mémoire de dix fois."

La recherche est publiée dans Communication Nature .

Impuretés dans le diamant, connus sous le nom de centres de couleur à vide de silicium, sont des qubits puissants. Un électron piégé au centre agit comme un bit de mémoire et peut émettre des photons uniques de lumière rouge, qui agiraient à leur tour en tant que supports d'informations à longue distance d'un Internet quantique. Mais avec les atomes voisins dans le cristal de diamant vibrant aléatoirement, l'électron au centre oublie rapidement toute information quantique qu'on lui demande de retenir.

"Être un électron dans un centre de couleur, c'est comme essayer d'étudier sur un marché bruyant, " a déclaré Srujan Meesala, un étudiant diplômé à SEAS et co-premier auteur de l'article. "Il y a tout ce bruit autour de toi. Si tu veux te souvenir de quelque chose, vous devez soit demander aux foules de rester silencieuses, soit trouver un moyen de vous concentrer sur le bruit. Nous avons fait ce dernier."

Pour améliorer la mémoire dans un environnement bruyant, les chercheurs ont sculpté le cristal de diamant abritant le centre de couleur dans une fine ficelle, environ un micron de large, cent fois plus fin qu'une mèche de cheveux, et des électrodes fixées de chaque côté. En appliquant une tension, la corde de diamant s'étire et augmente la fréquence des vibrations auxquelles l'électron est sensible, tout comme serrer une corde de guitare augmente la fréquence ou la hauteur de la corde.

"En créant une tension dans la corde, on augmente l'échelle énergétique des vibrations auxquelles l'électron est sensible, ce qui signifie qu'il ne peut plus ressentir que des vibrations énergétiques très élevées, " a déclaré Meesala. " Ce processus transforme efficacement les vibrations environnantes dans le cristal en un bourdonnement de fond non pertinent, permettant à l'électron à l'intérieur de la lacune de conserver confortablement des informations pendant des centaines de nanosecondes, ce qui peut être très long à l'échelle quantique. Une symphonie de ces cordes de diamants accordables pourrait servir de colonne vertébrale à un futur Internet quantique. »

Prochain, les chercheurs espèrent étendre la mémoire des qubits à la milliseconde, qui permettrait des centaines de milliers d'opérations et des communications quantiques à longue distance.