Les propriétés mécaniques quantiques des électrons commencent à ouvrir la porte à une nouvelle classe de capteurs et d'ordinateurs dotés de capacités bien au-delà de ce que leurs homologues basés sur la physique classique peuvent accomplir. Les états quantiques sont notoirement difficiles à lire ou à écrire, cependant, et pour aggraver les choses, l'incertitude sur les conditions de départ de ces états peut rendre les expériences plus laborieuses, voire impossibles.

Maintenant, Penn Engineers a conçu un système pour réinitialiser ces conditions de démarrage, testez-les pour voir s'ils sont corrects, et démarrer automatiquement l'expérience s'ils le sont, le tout en quelques microsecondes.

Cette nouvelle "procédure d'initialisation" permettra aux chercheurs quantiques d'économiser du temps et des efforts pour réexécuter des expériences pour tenir compte statistiquement des états de départ incertains, et permettent d'effectuer de nouveaux types de mesures qui nécessitent des conditions de démarrage exactes.

Lee Bassett, professeur adjoint au Département de génie électrique et des systèmes et directeur du Laboratoire de génie quantique, avec les membres du laboratoire David Hopper et Joseph Lauigan, a mené une étude récente démontrant cette nouvelle procédure d'initialisation. Le membre du laboratoire Tzu-Yung Huang a également contribué à l'étude.

Il a été publié dans la revue Examen physique appliqué .

"L'initialisation est l'une des clés, exigences fondamentales pour faire presque n'importe quel type de traitement de l'information quantique, " Dit Bassett. " Vous devez être capable de définir de manière déterministe votre état quantique avant de pouvoir faire quoi que ce soit d'utile avec, mais le sale petit secret est que, dans presque toutes les architectures quantiques, cette initialisation n'est pas parfaite."

"Une partie du temps, " Hopper dit, "nous pouvons accepter cette incertitude, et en exécutant un protocole expérimental plusieurs milliers de fois, proposer une mesure en laquelle nous sommes finalement confiants. Mais il y a d'autres expériences que nous aimerions faire où ce type de moyenne sur plusieurs passages ne fonctionnera pas. "

Le type particulier d'incertitude que les chercheurs ont étudié a à voir avec un système quantique couramment utilisé connu sous le nom de centre de lacune d'azote (NV) dans le diamant. Ces centres NV sont des défauts qui se produisent naturellement dans le diamant, où le réseau régulier d'atomes de carbone est parfois interrompu avec un atome d'azote et une place vacante à côté de lui. Les nuages ​​d'électrons des atomes voisins se chevauchent dans cet espace vide, créer une "molécule piégée" dans le diamant qui peut être sondée avec un laser, permettant aux chercheurs de mesurer, ou modifier, la propriété quantique des électrons connue sous le nom de « spin ».

Les électrons piégés dans un centre NV forment un "qubit" - l'unité de base de l'information quantique - qui peut être utilisé pour détecter les champs locaux, stocker des états de superposition quantique, et même effectuer des calculs quantiques.

"Les électrons sont d'excellents capteurs magnétiques, " Bassett dit, "et ils peuvent même détecter les minuscules champs magnétiques associés aux noyaux de carbone entourant le défaut. Ces noyaux peuvent eux-mêmes servir de qubits et être contrôlés à l'aide de l'électron central pour créer les états quantiques intriqués qui constituent la base des ordinateurs quantiques. Ils se couplent également aux photons, qui sont utilisés pour transmettre des informations quantiques sur de longues distances. Ainsi, les centres NV fusionnent réellement les trois domaines principaux de la science quantique :la détection, communication et calcul."

Aussi prometteurs que soient les centres NV, les chercheurs doivent encore composer avec une variable incertaine :le nombre d'électrons piégés au centre NV lorsqu'une expérience démarre, car les électrons peuvent entrer et sortir du défaut lorsqu'il est illuminé par un laser. Une procédure d'initialisation qui garantit un nombre prévisible d'électrons à chaque fois réduirait le temps nécessaire pour mener à bien une expérience, ou permettre des expériences où les conditions de départ incertaines ne peuvent pas être corrigées statistiquement après coup.

"Le centre NV est comme une boîte avec une pièce de monnaie à l'intérieur, " Lauigan dit. " Si nous voulons faire notre expérience seulement quand la pièce est sur face, nous devons secouer la boîte, vérifier la pièce, et répétez jusqu'à ce que nous trouvions qu'il a atterri dans le bon sens. C'est la procédure d'initialisation."

Pour exécuter cette initialisation, les chercheurs ont utilisé une paire de lasers, des détecteurs de photons et du matériel spécialisé pouvant gérer le timing précis nécessaire.

"Nous braquons un laser vert au centre NV, qui fondamentalement « retourne la pièce » et mélange le nombre d'électrons qui sont piégés dans le défaut, " dit Hopper. " Ensuite, nous entrons avec un laser rouge, et selon le nombre d'électrons qui sont là, le défaut émettra un photon ou restera sombre."

"Une fois que nous avons détecté le photon qui nous indique que le bon nombre d'électrons est dans le défaut, des circuits spécialisés démarrent automatiquement l'expérience, " dit Huang. " Tout cela se passe en environ 500 nanosecondes; il n'y a pas le temps de faire analyser le signal par un ordinateur normal, tout doit donc se passer sur ces puces spécialisées appelées matrices de portes programmables sur le terrain. »

Les chercheurs ont tiré parti de la puissance de l'électronique classique avancée pour mieux contrôler un système de détection quantique particulier. Ils ont montré que, grâce à des conditions de démarrage idéales, leur appareil peut détecter un minuscule champ magnétique oscillant de seulement 1,3 nanoteslas en une seconde de mesures, qui est un record de sensibilité pour les capteurs quantiques à température ambiante basés sur des centres NV uniques.

La procédure d'initialisation des chercheurs peut également contribuer à accélérer les progrès sur de nouvelles architectures quantiques pour le calcul et la communication. Le diamant est généralement composé de deux isotopes stables de carbone, carbone-12 et carbone-13. Le premier est le plus courant, mais tous les quelques dixièmes de nanomètre, il y a un atome de ce dernier. Et parce que le carbone-13 a un neutron supplémentaire, il présente un spin nucléaire et peut être utilisé comme qubit.

Un centre NV peut être une "poignée" pour contrôler ces qubits de spin nucléaire dans un ordinateur quantique, mais dans cette situation, la capacité d'initialiser précisément son état devient cruciale. Les erreurs liées à une mauvaise initialisation se multiplient, et il devient vite impossible d'effectuer un calcul complexe. Le type de mesure et de contrôle en temps réel utilisé par l'équipe dans ce travail est une étape majeure vers la mise en œuvre de protocoles de correction d'erreurs plus sophistiqués dans ces dispositifs quantiques.

À court terme, la capacité de détection améliorée sera utile pour déterminer les emplacements des atomes de carbone 13 dans le réseau de diamants.

"Trouver tous ces atomes de carbone spéciaux est un processus laborieux, puisqu'il y a tellement d'atomes et que chaque mesure prend beaucoup de temps, " dit Hopper. " Quand nous avons commencé ce projet, notre objectif était de voir ce qui rendait ces mesures si longues et s'il y avait un moyen de les raccourcir. »