Les « technologies quantiques » utilisent les phénomènes uniques de superposition et d'intrication quantiques pour coder et traiter l'information, avec des avantages potentiellement profonds pour un large éventail de technologies de l'information, des communications à la détection et à l'informatique.

Cependant un défi majeur dans le développement de ces technologies est que les phénomènes quantiques sont très fragiles, et seule une poignée de systèmes physiques ont été identifiés dans lesquels ils survivent assez longtemps et sont suffisamment contrôlables pour être utiles. Les défauts atomiques dans des matériaux tels que le diamant sont l'un de ces systèmes, mais un manque de techniques pour fabriquer et concevoir des défauts cristallins à l'échelle atomique a limité les progrès à ce jour.

Une équipe de scientifiques démontre, dans un article publié dans Optique , le succès de la nouvelle méthode pour créer des défauts particuliers dans les diamants connus sous le nom de centres de couleur à manque d'azote (NV). Ceux-ci comprennent une impureté d'azote dans le réseau de diamant (carbone) situé à côté d'un site de réseau vide ou d'une lacune. Les centres NV sont créés en focalisant une séquence d'impulsions laser ultrarapides dans le diamant, dont le premier a une énergie suffisamment élevée pour générer des lacunes au centre du foyer laser, avec des impulsions subséquentes à une énergie plus faible pour mobiliser les lacunes jusqu'à ce que l'une d'elles se lie à une impureté azotée et forme le complexe requis.

La nouvelle recherche a été menée par une équipe dirigée par le professeur Jason Smith du département des matériaux, Université d'Oxford, et le Dr Patrick Salter et le professeur Martin Booth du Département des sciences de l'ingénieur, Université d'Oxford, en collaboration avec des collègues de l'Université de Warwick. Elle s'est déroulée dans le cadre du programme de recherche du NQIT, le Quantum Computing Technology Hub du UK Quantum Technologies Programme, avec le soutien de DeBeers UK qui a fourni l'échantillon de diamant.

La nouvelle méthode des scientifiques implique l'utilisation d'un moniteur de fluorescence sensible pour détecter la lumière émise par la région focale, afin que le processus puisse être contrôlé activement en réponse au signal observé. En combinant contrôle local et retour d'informations, la nouvelle méthode facilite la production de matrices de centres NV uniques avec exactement un centre de couleur sur chaque site, une capacité clé dans la création de technologies évolutives. Il permet également un positionnement précis des défauts, important pour l'ingénierie des dispositifs intégrés. Le processus rapide en une seule étape est facilement automatisé, chaque centre NV ne prenant que quelques secondes à créer.

Le professeur Martin Booth déclare :" Les centres de couleur du diamant offrent une plate-forme très intéressante pour le développement de technologies quantiques compactes et robustes, et ce nouveau processus est un changeur de jeu potentiel dans l'ingénierie des matériaux requis. Il reste encore du travail à faire pour optimiser le processus, mais j'espère que cette étape contribuera à accélérer la livraison de ces technologies.'

Les scientifiques pensent que cette méthode pourrait finalement être utilisée pour fabriquer des puces de diamant centimétriques contenant 100, 000 ou plus de centres NV comme route vers le « Saint Graal » des technologies quantiques, un ordinateur quantique universel tolérant aux pannes.

Le professeur Jason Smith déclare :« Les premiers ordinateurs quantiques commencent maintenant à émerger, mais ces machines, aussi impressionnants soient-ils, ne fait qu'effleurer la surface de ce qui pourrait être réalisé et les plates-formes utilisées peuvent ne pas être suffisamment évolutives pour réaliser toute la puissance que l'informatique quantique a à offrir. Les centres de couleur diamant peuvent apporter une solution à ce problème en emballant des densités élevées de qubits sur une puce à semi-conducteurs, qui pourraient être enchevêtrés les uns avec les autres en utilisant des méthodes optiques pour former le cœur d'un ordinateur quantique. La capacité d'écrire des centres NV en diamant avec un degré élevé de contrôle est une première étape essentielle vers ces dispositifs et d'autres.'