Réaliser l'immense promesse de l'informatique quantique nécessite de nouveaux développements à tous les niveaux, y compris le matériel informatique lui-même. Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a découvert un moyen d'utiliser des faisceaux d'ions pour créer de longues chaînes de qubits de "centre de couleur" dans le diamant. Leurs travaux sont détaillés dans la revue Lettres de physique appliquée .

Les auteurs comprennent plusieurs du Berkeley Lab :Arun Persaud, qui a dirigé l'étude, et Thomas Schenkel, responsable du programme Fusion Science &Ion Beam Technology de la division Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP), ainsi que Casey Christian (maintenant avec la division de physique de Berkeley Lab), Edward Barnard de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, et l'affilié de l'ATAP, Russell E. Lake.

Création d'un grand nombre de bits quantiques de haute qualité (qubits), à proximité suffisamment proche pour se coupler les uns aux autres, est l'un des grands défis de l'informatique quantique. Collaborer avec des collègues du monde entier, l'équipe a exploré l'utilisation de faisceaux d'ions pour créer des centres de couleur artificielle dans le diamant à utiliser comme qubits.

Les centres de couleur sont des défauts microscopiques - des écarts par rapport à la structure de réseau rigoureuse d'un cristal, comme le diamant. Le type de défaut qui présente un intérêt particulier pour les qubits est un atome d'azote à côté d'une lacune, ou un espace vide, dans un réseau de diamants. (L'azote se trouve couramment dans le réseau cristallin du diamant, qui est principalement une forme cristalline de carbone, et peut contribuer à la couleur de la pierre.)

Lorsqu'il est excité par le dépôt d'énergie rapide d'un ion passant, des centres de lacunes d'azote peuvent se former dans le réseau en diamant. Les spins électroniques et nucléaires des centres de lacunes d'azote et les atomes de carbone adjacents peuvent tous fonctionner comme des qubits à l'état solide, et le réseau cristallin peut aider à protéger leur cohérence et leur enchevêtrement mutuel.

Le résultat est un système physiquement durable qui n'a pas à être utilisé dans un environnement cryogénique, qui sont des attributs attrayants pour les capteurs quantiques et aussi pour les qubits dans ce type d'ordinateur quantique à semi-conducteurs. Cependant, faire suffisamment de qubits, et en les rendant assez proches les uns des autres, a été un défi.

Lorsque des ions lourds rapides (à haute énergie) tels que les faisceaux utilisés par cette équipe - des ions d'or avec une énergie cinétique d'environ un milliard d'électrons-volts - traversent un matériau, comme le diamant dopé à l'azote, ils laissent une traînée de centres de vacance d'azote le long de leurs traces. Les centres de couleur se sont formés directement, sans besoin de recuit supplémentaire (traitement thermique). Quoi de plus, ils se sont formés tout le long des pistes ioniques, plutôt que seulement à la fin de la gamme des ions comme cela avait été prévu dans les études antérieures avec des ions de plus faible énergie. Dans ces "chaînes de percolation" droites, " les qubits de centre de couleur sont alignés sur des distances de quelques dizaines de microns, et ne sont qu'à quelques nanomètres de leurs plus proches voisins. Une technique développée par la fonderie moléculaire de Berkeley Lab a mesuré les centres de couleur avec une résolution en profondeur.

Les travaux sur la synthèse des qubits loin de l'équilibre ont été soutenus par l'Office of Science du ministère de l'Énergie. La prochaine étape de la recherche consistera à découper physiquement un groupe de ces centres de couleur - qui sont comme une série de perles sur une ficelle - et à montrer qu'ils sont en effet si étroitement couplés qu'ils peuvent être utilisés comme registres quantiques.

Les résultats publiés dans le présent article montrent qu'il sera possible de former des registres quantiques avec jusqu'à environ 10, 000 qubits couplés—deux ordres de grandeur supérieurs à ceux obtenus jusqu'à présent avec la technologie complémentaire des qubits à piège à ions—sur une distance d'environ 50 microns (environ la largeur d'un cheveu humain).

"Les interactions des ions lourds rapides avec les matériaux ont été étudiées pendant des décennies à diverses fins, y compris le comportement des matières nucléaires et les effets des rayons cosmiques sur l'électronique, ", a déclaré Schenkel.

Il a ajouté que des chercheurs du monde entier ont cherché à fabriquer des matériaux quantiques en induisant artificiellement des centres de couleur dans le diamant. "Les approches à l'état solide du matériel informatique quantique s'adaptent à merveille, mais l'intégration a été un défi. C'est la première fois qu'une formation directe de qubits de centre de couleur le long de chaînes est observée."

Les étoiles, comme des diamants

A une échelle minuscule et éphémère (nanomètres et picosecondes) le dépôt d'énergie par les faisceaux d'ions produit un état de haute température, que Schenkel compare à la surface du soleil, dans la gamme 5000 K, et la pression. En plus d'éliminer les atomes de carbone du réseau cristallin du diamant, cet effet pourrait permettre des études fondamentales des états exotiques de la matière dense chaude transitoire, un état de la matière qui est présent dans de nombreuses étoiles et grandes planètes et qui est difficile à étudier directement sur Terre.

Cela pourrait également permettre la formation de nouveaux qubits avec des propriétés adaptées qui ne peuvent pas être formées avec des méthodes conventionnelles. "Cela ouvre une nouvelle direction pour étendre notre capacité à former des registres quantiques, ", a déclaré Schenkel.

Actuellement, les chaînes à centre de couleur sont formées avec des faisceaux provenant de grands accélérateurs de particules, comme celui du laboratoire allemand GSI qui a été utilisé dans cette recherche. À l'avenir, ils pourraient être fabriqués à l'aide d'accélérateurs laser-plasma compacts comme ceux développés au Berkeley Lab Laser Accelerator Center (BELLA).

Le Centre BELLA développe activement ses capacités d'accélération d'ions grâce au financement du DOE Office of Science. Ces capacités seront utilisées dans le cadre de LaserNetUS. Les impulsions ioniques de l'accélération laser-plasma sont très intenses et augmentent considérablement notre capacité à former des états transitoires de matériaux hautement excités et chauds pour la synthèse de qubits dans de nouvelles conditions.

Plus de facettes de la science des matériaux loin de l'équilibre

Le processus de création de ces centres de couleurs est intéressant en soi et doit être mieux compris dans le cadre des progrès futurs de ces applications. Les détails de la façon dont un faisceau d'ions intense dépose de l'énergie lorsqu'il traverse les échantillons de diamant, et le mécanisme exact par lequel cela conduit à la formation d'un centre de couleur, offrent des perspectives intéressantes pour la poursuite des recherches.

"Ce travail démontre à la fois les opportunités scientifiques de découverte et le potentiel d'innovations sociétalement transformatrices permises par les faisceaux des accélérateurs, ", déclare Cameron Geddes, directeur de la division ATAP. "Avec les accélérateurs, nous créons des états de matière uniques et de nouvelles capacités qui ne sont pas possibles par d'autres moyens."