Les ordinateurs quantiques promettent d'être une technologie révolutionnaire parce que leurs blocs de construction élémentaires, qubits, peut contenir plus d'informations que le binaire, 0 ou 1 bits des ordinateurs classiques. Mais pour exploiter cette capacité, le matériel doit être développé qui peut accéder, mesurer et manipuler des états quantiques individuels.

Des chercheurs de la School of Engineering and Applied Science de l'Université de Pennsylvanie ont maintenant démontré une nouvelle plate-forme matérielle basée sur des spins d'électrons isolés dans un matériau bidimensionnel. Les électrons sont piégés par des défauts dans des feuillets de nitrure de bore hexagonal, un matériau semi-conducteur d'une épaisseur d'un atome, et les chercheurs ont pu détecter optiquement les états quantiques du système.

L'étude a été dirigée par Lee Bassett, professeur adjoint au Département de génie électrique et des systèmes, et Annemarie Exarhos, puis chercheur postdoctoral dans son laboratoire.

Les autres membres du Bassett Lab, David Hopper et Raj Patel, avec Marcus Doherty de l'Université nationale australienne, également contribué à l'étude.

Il a été publié dans la revue Communication Nature , où il a été sélectionné comme point culminant de l'éditeur.

Il existe un certain nombre d'architectures potentielles pour la construction de la technologie quantique. Un système prometteur implique des spins électroniques dans les diamants :ces spins sont également piégés au niveau des défauts du motif cristallin régulier du diamant où les atomes de carbone sont manquants ou remplacés par d'autres éléments. Les défauts agissent comme des atomes ou des molécules isolés, et ils interagissent avec la lumière d'une manière qui permet de mesurer et d'utiliser leur spin comme un qubit.

Ces systèmes sont intéressants pour la technologie quantique car ils peuvent fonctionner à température ambiante, contrairement à d'autres prototypes à base de supraconducteurs ultra-froids ou d'ions piégés dans le vide, mais travailler avec des diamants en vrac présente ses propres défis.

« L'un des inconvénients de l'utilisation des spins dans les matériaux 3D est que nous ne pouvons pas contrôler exactement où ils se trouvent par rapport à la surface », explique Bassett. "Avoir ce niveau de contrôle à l'échelle atomique est l'une des raisons de travailler en 2-D. Peut-être que vous voulez placer un tour ici et un tour là et les faire se parler. Ou si vous voulez avoir un tour dans une couche d'un matériau et déposer une couche d'aimant 2D sur le dessus et les faire interagir.Lorsque les spins sont confinés à un seul plan atomique, vous activez une foule de nouvelles fonctionnalités."

Avec les avancées nanotechnologiques produisant une bibliothèque en expansion de matériaux 2D parmi lesquels choisir, Bassett et ses collègues ont recherché celui qui ressemblerait le plus à un analogue plat du diamant en vrac.

"Vous pourriez penser que l'analogue serait le graphène, qui est juste un réseau en nid d'abeilles d'atomes de carbone, mais ici, nous nous soucions plus des propriétés électroniques du cristal que du type d'atomes dont il est fait, " dit Exarhos, qui est maintenant professeur adjoint de physique à l'Université Lafayette. "Le graphène se comporte comme un métal, tandis que le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite et agit donc comme un isolant. Nitrure de bore hexagonal, d'autre part, a la même structure en nid d'abeille que le graphène, mais, comme le diamant, il s'agit également d'un semi-conducteur à large bande interdite et est déjà largement utilisé comme couche diélectrique dans l'électronique 2D."

Avec du nitrure de bore hexagonal, ou h-BN, largement disponible et bien caractérisé, Bassett et ses collègues se sont concentrés sur l'un de ses aspects les moins bien compris :les défauts de son réseau en nid d'abeille pouvant émettre de la lumière.

Que le morceau moyen de h-BN contienne des défauts qui émettent de la lumière était déjà connu. Le groupe de Bassett est le premier à montrer que, pour certains de ces défauts, l'intensité de la lumière émise change en réponse à un champ magnétique.

"On projette une lumière d'une couleur sur le matériau et on récupère des photons d'une autre couleur, " dit Bassett. " L'aimant contrôle le spin et le spin contrôle le nombre de photons émis par les défauts du h-BN. C'est un signal que vous pouvez potentiellement utiliser comme qubit."

Au-delà du calcul, avoir le bloc de construction des qubits d'une machine quantique sur une surface 2D permet d'autres applications potentielles qui dépendent de la proximité.

"Les systèmes quantiques sont hyper sensibles à leur environnement, c'est pourquoi ils sont si difficiles à isoler et à contrôler, " dit Bassett. " Mais le revers de la médaille est que vous pouvez utiliser cette sensibilité pour créer de nouveaux types de capteurs. En principe, ces petits spins peuvent être des détecteurs miniatures à résonance magnétique nucléaire, comme le type utilisé dans les IRM, mais avec la capacité d'opérer sur une seule molécule.

La résonance magnétique nucléaire est actuellement utilisée pour en savoir plus sur la structure moléculaire, mais il faut des millions ou des milliards de la molécule cible pour être assemblés en un cristal. En revanche, Des capteurs quantiques 2D pourraient mesurer la structure et la dynamique interne de molécules individuelles, par exemple pour étudier les réactions chimiques et le repliement des protéines.

Alors que les chercheurs ont mené une enquête approfondie sur les défauts h-BN pour découvrir ceux qui ont des propriétés optiques spéciales dépendantes du spin, la nature exacte de ces défauts est encore inconnue. Les prochaines étapes pour l'équipe consistent à comprendre ce qui en fait, mais pas tout, défauts sensibles aux champs magnétiques, puis recréer ces défauts utiles.

Une partie de ce travail sera rendue possible par le Singh Center for Nanotechnology de Penn et son nouveau microscope JEOL NEOARM. Le seul microscope électronique à transmission de ce type aux États-Unis, le NEOARM est capable de résoudre des atomes uniques et potentiellement même de créer les types de défauts avec lesquels les chercheurs souhaitent travailler.

« Cette étude rassemble deux grands axes de recherche scientifique, " dit Bassett. " D'un côté, il y a eu énormément de travail pour élargir la bibliothèque de matériaux 2D et comprendre la physique qu'ils présentent et les dispositifs qu'ils peuvent fabriquer. D'autre part, il y a le développement de ces différentes architectures quantiques. Et c'est l'un des premiers à les réunir pour dire "voici une architecture quantique potentiellement à température ambiante dans un matériau 2D".