Cette illustration d'un nœud nanométrique créé par le laboratoire de Nick Vamivakas, professeur d'optique quantique et de physique quantique, montre un gros plan de l'un des piliers d'un tableau, chacun mesurant à peine 120 nanomètres de haut. Chaque pilier sert de marqueur de localisation pour un état quantique qui peut interagir avec les photons. Un nouvel alignement de diséléniure de tungstène (WSe2) est drapé sur les piliers avec un sous-jacent, couche hautement réactive de triiodure de chrome (CrI3). Où l'atomiquement mince, Les couches de zone de 12 microns se touchent, le CrI3 confère une charge électrique au WSe2, créant un « trou » le long de chacun des piliers. Crédit :illustration de l'Université de Rochester / Michael Osadciw
Des chercheurs de l'Université de Rochester et de l'Université Cornell ont franchi une étape importante vers le développement d'un réseau de communication qui échange des informations sur de longues distances en utilisant des photons, des mesures de lumière sans masse qui sont des éléments clés de l'informatique quantique et des systèmes de communication quantique.
L'équipe de recherche a conçu un nœud à l'échelle nanométrique composé de matériaux magnétiques et semi-conducteurs qui pourraient interagir avec d'autres nœuds, utilisant la lumière laser pour émettre et accepter des photons.
Le développement d'un tel réseau quantique, conçu pour tirer parti des propriétés physiques de la lumière et de la matière caractérisées par la mécanique quantique, s'annonce plus rapide, des moyens de communication plus efficaces, calculer, et détecter des objets et des matériaux par rapport aux réseaux actuellement utilisés pour l'informatique et les communications.
Décrit dans le journal Communication Nature , le nœud se compose d'un ensemble de piliers d'à peine 120 nanomètres de haut. Les piliers font partie d'une plate-forme contenant des couches atomiquement minces de matériaux semi-conducteurs et magnétiques.
Le réseau est conçu de manière à ce que chaque pilier serve de marqueur d'emplacement pour un état quantique pouvant interagir avec des photons et que les photons associés puissent potentiellement interagir avec d'autres emplacements sur l'appareil et avec des réseaux similaires à d'autres emplacements. Ce potentiel de connecter des nœuds quantiques à travers un réseau distant capitalise sur le concept d'intrication, un phénomène de mécanique quantique qui, à son niveau très basique, décrit comment les propriétés des particules sont liées au niveau subatomique.
"C'est le début d'avoir une sorte de registre, si tu veux, où différents emplacements spatiaux peuvent stocker des informations et interagir avec des photons, " dit Nick Vamivakas, professeur d'optique quantique et de physique quantique à Rochester.
Vers « la miniaturisation d'un ordinateur quantique »
Le projet s'appuie sur les travaux que le laboratoire Vamivakas a menés ces dernières années en utilisant du diséléniure de tungstène (WSe2) dans les hétérostructures dites de Van der Waals. Ce travail utilise des couches de matériaux atomiquement minces les unes sur les autres pour créer ou capturer des photons uniques.
Le nouveau dispositif utilise un nouvel alignement de WSe2 drapé sur les piliers avec un sous-jacent, couche hautement réactive de triiodure de chrome (CrI3). Où l'atomiquement mince, Les couches de zone de 12 microns se touchent, le CrI3 confère une charge électrique au WSe2, créant un "trou" le long de chacun des piliers.
En physique quantique, un trou est caractérisé par l'absence d'électron. Chaque trou chargé positivement a également une propriété magnétique binaire nord/sud qui lui est associée, pour que chacun soit aussi un nano-aimant
Lorsque l'appareil est baigné de lumière laser, d'autres réactions se produisent, transformer les nano-aimants en réseaux de spins optiquement actifs individuels qui émettent et interagissent avec des photons. Alors que le traitement de l'information classique traite des bits qui ont des valeurs de zéro ou de un, les états de spin peuvent coder à la fois zéro et un en même temps, élargir les possibilités de traitement de l'information.
"Être capable de contrôler l'orientation de la rotation des trous à l'aide de CrI3 ultrafin et de 12 microns de large, remplace le besoin d'utiliser des champs magnétiques externes à partir de gigantesques bobines magnétiques semblables à celles utilisées dans les systèmes d'IRM, ", déclare l'auteur principal et étudiant diplômé Arunabh Mukherjee. "Cela contribuera grandement à miniaturiser un ordinateur quantique basé sur des spins à un seul trou."
Reste à venir :Enchevêtrement à distance ?
Deux défis majeurs se sont posés aux chercheurs lors de la création de l'appareil.
L'un consistait à créer un environnement inerte dans lequel travailler avec le CrI3 hautement réactif. C'est là qu'intervient la collaboration avec l'Université Cornell. "Ils ont beaucoup d'expertise avec le triiodure de chrome et puisque nous travaillions avec cela pour la première fois, nous nous sommes coordonnés avec eux sur cet aspect, " dit Vamivakas. Par exemple, la fabrication du CrI3 a été effectuée dans des boîtes à gants remplies d'azote pour éviter la dégradation de l'oxygène et de l'humidité.
L'autre défi consistait à déterminer la bonne configuration de piliers pour s'assurer que les trous et les vallées de rotation associés à chaque pilier pouvaient être correctement enregistrés pour éventuellement se relier à d'autres nœuds.
Et c'est là que réside le prochain défi majeur :trouver un moyen d'envoyer des photons sur de longues distances à travers une fibre optique vers d'autres nœuds, tout en préservant leurs propriétés d'enchevêtrement.
"Nous n'avons pas encore conçu l'appareil pour promouvoir ce genre de comportement, " dit Vamivakas. " C'est sur la route. "
