Le scientifique Joseph Heremans travaillant dans un laboratoire à Argonne a utilisé pour synthétiser des cristaux de diamant ultrapurs et des spins d'électrons porteurs d'informations quantiques. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Prétendre que quelque chose a un défaut suggère normalement une caractéristique indésirable. Ce n'est pas le cas dans les systèmes à semi-conducteurs, tels que les semi-conducteurs au cœur des appareils électroniques classiques modernes. Ils fonctionnent à cause de défauts introduits dans l'arrangement rigidement ordonné des atomes dans des matériaux cristallins comme le silicium. Étonnamment, dans le monde quantique, les défauts jouent également un rôle important.
Des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), l'Université de Chicago et les instituts et universités scientifiques du Japon, La Corée et la Hongrie ont établi des lignes directrices qui seront une ressource inestimable pour la découverte de nouveaux systèmes quantiques basés sur les défauts. L'équipe internationale a publié ces directives dans Nature Avis Matériaux .
De tels systèmes ont des applications possibles dans les communications quantiques, la détection et l'informatique et pourraient ainsi avoir un effet transformateur sur la société. Les communications quantiques pourraient distribuer des informations quantiques de manière robuste et sécurisée sur de longues distances, rendre possible un Internet quantique. La détection quantique pourrait atteindre des sensibilités sans précédent pour les mesures avec des astronomique, intérêt technologique et militaire. L'informatique quantique pourrait simuler de manière fiable le comportement de la matière jusqu'au niveau atomique et éventuellement simuler et découvrir de nouveaux médicaments.
L'équipe a élaboré ses directives de conception sur la base d'un examen approfondi du vaste corpus de connaissances acquises au cours des dernières décennies sur les défauts de spin dans les matériaux à l'état solide.
"Les défauts qui nous intéressent ici sont des distorsions isolées dans l'arrangement ordonné des atomes dans un cristal, " expliqua Joseph Heremans, chercheur au pôle Génie Moléculaire et Science des Matériaux du Centre d'Argonne, ainsi que la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago.
De telles distorsions peuvent inclure des trous ou des lacunes créés par l'élimination d'atomes ou d'impuretés ajoutées comme dopants. Ces distorsions, à son tour, peut piéger des électrons dans le cristal. Ces électrons ont une propriété appelée spin, qui agit comme un système quantique isolé.
"Le spin étant une propriété quantique clé, les défauts de spin peuvent contenir des informations quantiques sous une forme que les physiciens appellent bits quantiques, ou qubits, en analogie avec le bit d'information en informatique classique, " a ajouté Gary Wolfowicz, assistant scientifique au pôle Génie Moléculaire et Science des Matériaux du Centre d'Argonne, avec la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago.
Depuis plusieurs décennies, les scientifiques ont étudié ces défauts de spin pour créer un large éventail de dispositifs de preuve de concept. Cependant, les recherches précédentes ne se sont concentrées que sur un ou deux qubits candidats de premier plan.
Image de microscopie électronique à balayage d'un dispositif en carbure de silicium nanofabriqué conçu pour capturer et amplifier des photons uniques à partir d'états quantiques intégrés dans le matériau. Crédit :Alex Crook, Université de Chicago
"Notre domaine a eu une orientation quelque peu étroite pendant de nombreuses années, " a déclaré Christopher Anderson, chercheur postdoctoral à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago. "C'était comme si nous n'avions que quelques chevaux dans la course quantique. Mais maintenant nous comprenons qu'il y a beaucoup d'autres chevaux quantiques à soutenir, et exactement ce qu'il faut rechercher chez ces chevaux."
Les directives de l'équipe englobent les propriétés à la fois des défauts et du matériau sélectionné pour les héberger. Les principales propriétés du défaut sont le spin, optique (par exemple, comment la lumière interagit avec le spin des électrons piégés), et l'état de charge du défaut.
Les matériaux à l'état solide possibles incluent non seulement les quelques déjà bien étudiés comme le silicium, le diamant et le carbure de silicium mais d'autres entrées plus récentes comme divers oxydes. Tous ces matériaux ont des avantages et des inconvénients différents énoncés dans les lignes directrices. Par exemple, le diamant est clair et dur, Mais cher. D'autre part, le silicium est facile à fabriquer avec des appareils à faible coût, mais est plus affecté par les charges gratuites et la température.
"Nos lignes directrices sont là pour les scientifiques et les ingénieurs quantiques pour évaluer l'interaction entre les propriétés du défaut et le matériau hôte sélectionné dans la conception de nouveaux qubits adaptés à une application spécifique, " a noté Heremans.
"Les défauts de spin ont un rôle central à jouer dans la création de nouveaux dispositifs quantiques, qu'il s'agisse de petits ordinateurs quantiques, l'internet quantique, ou capteurs quantiques nanométriques, " a poursuivi Anderson. " En s'appuyant sur les connaissances approfondies sur les défauts de spin pour dériver ces lignes directrices, nous avons jeté les bases pour que la main-d'œuvre quantique, maintenant et à l'avenir, puisse concevoir à partir de zéro le qubit parfait pour une utilisation spécifique. »
« Nous sommes particulièrement fiers de nos lignes directrices, car les utilisateurs visés vont des scientifiques quantiques chevronnés aux chercheurs dans d'autres domaines et aux étudiants diplômés souhaitant rejoindre la main-d'œuvre quantique, " a déclaré Wolfowicz.
Le travail jette également les bases de la conception de dispositifs quantiques à semi-conducteurs évolutifs et s'harmonise bien avec Q-NEXT, un centre de recherche en sciences de l'information quantique financé par le DOE et dirigé par Argonne. L'objectif de Q-NEXT comprend l'établissement d'une "fonderie" quantique de semi-conducteurs pour le développement d'interconnexions et de capteurs quantiques.
« Les directives de notre équipe serviront de modèle pour aider à diriger la mission Q-NEXT dans la conception de la prochaine génération de matériaux et de dispositifs quantiques, " a déclaré David Awschalom, scientifique senior à la division Science des Matériaux d'Argonne, Liew Family Professor of Molecular Engineering à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago, et administrateur du Chicago Quantum Exchange et de Q-NEXT. "Quand il s'agit de technologies quantiques avec des spins, ce travail prépare le terrain et indique au domaine comment aller de l'avant."
