Une équipe de recherche dirigée par Princeton a créé des diamants contenant des défauts capables de stocker et de transmettre des informations quantiques à utiliser dans un futur « Internet quantique ». Les défauts peuvent prendre et stocker des informations quantiques sous forme d'électrons pendant des périodes de temps relativement longues et les lier efficacement aux photons. Crédit :Paul Stevenson, associé de recherche postdoctoral à l'Université de Princeton
Les diamants sont prisés pour leur pureté, mais leurs défauts pourraient détenir la clé d'un nouveau type de communications hautement sécurisées.
Des chercheurs de l'Université de Princeton utilisent des diamants pour aider à créer un réseau de communication qui repose sur une propriété des particules subatomiques connue sous le nom d'état quantique. Les chercheurs pensent que de tels réseaux d'informations quantiques seraient extrêmement sécurisés et pourraient également permettre à de nouveaux ordinateurs quantiques de travailler ensemble pour résoudre des problèmes actuellement insolubles. Mais les scientifiques qui conçoivent actuellement ces réseaux sont confrontés à plusieurs défis, y compris comment préserver les informations quantiques fragiles sur de longues distances.
Maintenant, les chercheurs sont arrivés à une solution possible en utilisant des diamants synthétiques.
Dans un article publié cette semaine dans la revue Science , les chercheurs décrivent comment ils ont pu stocker et transmettre des bits d'information quantique, appelés qubits, utilisant un diamant dans lequel ils avaient remplacé deux atomes de carbone par un atome de silicium.
Dans les réseaux de communication standard, des dispositifs appelés répéteurs stockent et retransmettent brièvement des signaux pour leur permettre de parcourir de plus grandes distances. Nathalie de Léon, professeur adjoint de génie électrique à l'Université de Princeton et chercheur principal, a déclaré que les diamants pourraient servir de répéteurs quantiques pour les réseaux basés sur les qubits.
L'idée d'un répéteur quantique existe depuis longtemps, "mais personne ne savait comment les construire, " a déclaré de Leon. "Nous essayions de trouver quelque chose qui agirait comme le composant principal d'un répéteur quantique."
Des chercheurs de l'Université de Princeton utilisent des diamants pour préserver des informations quantiques fragiles sur de longues distances. Crédit :Frank Wojciechowski pour l'Université de Princeton
Le principal défi dans la création de répéteurs quantiques a été de trouver un matériau capable à la fois de stocker et de transmettre des qubits. Jusque là, le meilleur moyen de transmettre des qubits est de les coder en particules de lumière, appelés photons. Les fibres optiques actuellement utilisées sur une grande partie du réseau transmettent déjà des informations via des photons. Cependant, les qubits d'une fibre optique ne peuvent parcourir que de courtes distances avant que leurs propriétés quantiques spéciales ne soient perdues et que l'information soit brouillée. Il est difficile de piéger et de stocker un photon, qui par définition se déplace à la vitesse de la lumière.
Au lieu, les chercheurs se sont tournés vers des solides tels que des cristaux pour assurer le stockage. Dans un cristal, comme un diamant, les qubits pourraient théoriquement être transférés des photons aux électrons, qui sont plus faciles à stocker. L'endroit clé pour effectuer un tel transfert serait les défauts au sein du diamant, emplacements où des éléments autres que le carbone sont piégés dans le réseau de carbone du diamant. Les bijoutiers savent depuis des siècles que les impuretés des diamants produisent différentes couleurs. À l'équipe de de Leon, ces centres de couleurs, comme les impuretés sont appelées, représentent une opportunité de manipuler la lumière et de créer un répéteur quantique.
Des chercheurs précédents ont d'abord essayé d'utiliser des défauts appelés lacunes d'azote - où un atome d'azote prend la place de l'un des atomes de carbone - mais ont découvert que bien que ces défauts stockent des informations, ils n'ont pas les bonnes propriétés optiques. D'autres ont alors décidé d'examiner les lacunes du silicium - la substitution d'un atome de carbone par un atome de silicium. Mais les vacances de silicium, alors qu'ils pouvaient transférer l'information aux photons, manquait de longs temps de cohérence.
"Nous avons demandé, « Que savons-nous des causes des limitations de ces deux centres de couleur ? », " a déclaré de Leon. " Pouvons-nous simplement concevoir quelque chose d'autre à partir de zéro, quelque chose qui résout tous ces problèmes ?"
L'équipe dirigée par Princeton et leurs collaborateurs ont décidé d'expérimenter la charge électrique du défaut. Les vides de silicium en théorie devraient être électriquement neutres, mais il s'avère que d'autres impuretés à proximité peuvent contribuer aux charges électriques du défaut. L'équipe a pensé qu'il pourrait y avoir un lien entre l'état de charge et la capacité de maintenir les spins des électrons dans la bonne orientation pour stocker les qubits.
Les chercheurs se sont associés à Element Six, une entreprise de fabrication de diamants industriels, pour construire des lacunes de silicium électriquement neutres. Element Six a commencé par déposer des couches d'atomes de carbone pour former le cristal. Pendant le processus, ils ont ajouté des atomes de bore, qui ont pour effet d'évincer d'autres impuretés qui pourraient gâcher la charge neutre.
Image au microscope optique de l'échantillon en couches cultivé par Element Six. Crédit :Brendon Rose
"Nous devons faire cette danse délicate de compensation de charge entre les choses qui peuvent ajouter des charges ou enlever des charges, " a déclaré de Leon. "Nous contrôlons la répartition de la charge des défauts de fond dans les diamants, et cela nous permet de contrôler l'état de charge des défauts qui nous intéressent."
Prochain, les chercheurs ont implanté des ions de silicium dans le diamant, puis chauffé les diamants à des températures élevées pour éliminer d'autres impuretés qui pourraient également donner des charges. Grâce à plusieurs itérations de l'ingénierie des matériaux, ainsi que des analyses réalisées en collaboration avec des scientifiques du Gemological Institute of America, l'équipe a produit des lacunes de silicium neutres dans les diamants.
La lacune neutre en silicium est bonne à la fois pour la transmission d'informations quantiques à l'aide de photons et pour le stockage d'informations quantiques à l'aide d'électrons, qui sont des ingrédients clés dans la création de la propriété quantique essentielle connue sous le nom d'intrication, qui décrit comment les paires de particules restent corrélées même si elles se séparent. L'intrication est la clé de la sécurité de l'information quantique :les destinataires peuvent comparer les mesures de leur paire intriquée pour voir si un indiscret a corrompu l'un des messages.
La prochaine étape de la recherche consiste à construire une interface entre la lacune de silicium neutre et les circuits photoniques pour amener les photons du réseau dans et hors du centre de couleur.
Ania Bleszynski Jayich, professeur de physique à l'Université de Californie, Santa Barbara, a déclaré que les chercheurs avaient relevé avec succès un défi de longue date consistant à trouver un défaut de diamant présentant des caractéristiques favorables au travail avec les propriétés quantiques des photons et des électrons.
« Le succès de l'approche d'ingénierie des matériaux des auteurs pour identifier des plates-formes quantiques prometteuses basées sur les défauts à l'état solide met en évidence la polyvalence des défauts à l'état solide et est susceptible d'inspirer une recherche plus complète et approfondie sur une plus grande section transversale de matériaux et candidats au défaut, " dit Jayich, qui n'a pas participé à la recherche.
L'équipe de Princeton comprenait Brendon Rose, un chercheur associé postdoctoral, et les étudiants diplômés Ding Huang et Zi-Huai Zhang, qui sont membres du laboratoire de Leon. L'équipe de Leon comprenait également les associés de recherche postdoctoraux Paul Stevenson, Sorawis Sangtawesin, et Srikanth Srinivasan, un ancien chercheur postdoctoral maintenant chez IBM. Des contributions supplémentaires sont venues du chercheur du personnel Alexei Tyryshkin et du professeur de génie électrique Stephen Lyon. L'équipe a collaboré avec Lorne Loudin au Gemological Institute of America et Matthew Markham, Andrew Edmonds et Daniel Twitchen à Element Six.
