Les qubits sont la pierre angulaire de la technologie quantique, et trouver ou construire des qubits stables et faciles à manipuler est l’un des objectifs centraux de la recherche en technologie quantique. Les scientifiques ont découvert qu'un atome d'erbium, une terre rare parfois utilisée dans les lasers ou pour colorer le verre, peut être un qubit très efficace.
Pour fabriquer des qubits d'erbium, les atomes d'erbium sont placés dans des « matériaux hôtes », où les atomes d'erbium remplacent certains des atomes d'origine du matériau. Deux groupes de recherche – l'un au sein de la startup quantique memQ, une entreprise partenaire du Chicago Quantum Exchange, et l'autre au Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie, membre du CQE – ont utilisé différents matériaux hôtes pour l'erbium pour faire progresser la technologie quantique, démontrant la polyvalence de cette technologie. sorte de qubit et soulignant l'importance de la science des matériaux pour l'informatique quantique et la communication quantique.
Les deux projets répondent aux défis que les chercheurs en informatique quantique tentent de résoudre :concevoir des dispositifs multi-qubits et prolonger la durée pendant laquelle les qubits peuvent contenir des informations.
"Le travail réalisé par ces deux efforts met vraiment en évidence l'importance des matériaux pour la technologie quantique", a déclaré F. Joseph Heremans, scientifique à Argonne qui a participé aux deux projets. "L'environnement dans lequel réside le qubit est tout aussi critique que le qubit lui-même."
L'erbium est populaire en tant que qubit car il peut transmettre efficacement des informations quantiques sur le même type de fibre optique qui canalise Internet et les lignes téléphoniques; ses électrons sont également disposés de telle manière qu'il est particulièrement résistant au type de changements environnementaux qui peuvent faire perdre à un qubit ses informations.
Mais le processus de croissance qui insère l'erbium dans le matériau hôte disperse les atomes dans tout le matériau d'une manière que les scientifiques ne peuvent pas contrôler avec précision, ce qui rend difficile la conception de dispositifs multi-qubits. Grâce à une technique totalement nouvelle, les scientifiques de memQ ont découvert une solution de contournement :"activer" uniquement certains atomes d'erbium avec un laser.
Les travaux sont publiés dans la revue Applied Physics Letters .
"Nous ne plaçons pas réellement l'erbium à des endroits spécifiques, l'erbium est dispersé dans tout le matériau", a déclaré Sean Sullivan, directeur technique et co-fondateur de memQ, diplômé de Duality, l'accélérateur de startups quantiques co-dirigé par le Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation de l'Université de Chicago et le CQE, ainsi que les partenaires fondateurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, Argonne et P33.
"Mais en utilisant un laser, nous pouvons modifier la structure cristalline dans une zone particulière, ce qui modifie les propriétés de l'erbium dans cette zone. Nous sélectionnons donc l'erbium à utiliser comme qubits."
La technique repose sur les propriétés du matériau hôte, le dioxyde de titane (TiO2 ). En raison de sa symétrie, un réseau cristallin de TiO2 a deux configurations possibles. Un atome d'erbium inséré dans le réseau communiquera à une fréquence différente selon la configuration de TiO2 il s'installe.
Dans la technique de memQ, l'erbium est dispersé dans un film de TiO2 c'est dans une configuration. Ensuite, un laser de grande puissance est focalisé sur le cristal autour de certains atomes d'erbium, déformant de manière permanente le TiO2 dans son autre configuration à ces emplacements uniquement. Désormais, les atomes d'erbium sélectionnés par le laser peuvent tous communiquer à la même fréquence, entièrement séparés les uns des autres.
La nouvelle procédure représente une avancée significative dans ce domaine de la technologie quantique, connue sous le nom de technologie du solide.
"Vous ne pouvez pas utiliser des qubits dans 100 emplacements aléatoires pour créer quelque chose d'utile", a déclaré Manish Singh, PDG et co-fondateur de memQ. "Grâce à notre plate-forme, nous pouvons choisir l'erbium que nous souhaitons utiliser dans la configuration que nous souhaitons utiliser, une capacité qui a longtemps échappé à la communauté des semi-conducteurs."
Une mesure cruciale de l’efficacité d’un qubit est son temps de cohérence :la durée pendant laquelle il peut conserver les informations quantiques. Ceci est particulièrement important pour les qubits destinés à être utilisés comme mémoire quantique, l’équivalent quantique de la mémoire informatique classique. Mais la cohérence est très fragile :un qubit peut perdre sa cohérence en interagissant avec quelque chose dans son environnement, comme l'air ou la chaleur.
Les atomes d'erbium peuvent conserver des informations quantiques grâce à leurs électrons, qui possèdent une propriété appelée « spin ». Un noyau, l'amas de protons et de neutrons au centre d'un atome, possède également un « spin », et les spins des électrons et des noyaux peuvent s'influencer mutuellement. Un qubit d'erbium perd souvent ses informations quantiques lorsque son spin électronique interagit avec le spin nucléaire de l'un des atomes qui l'entourent.
Pour cette raison, le chercheur d'Argonne, Jiefei Zhang, a recherché un matériau hôte pour l'erbium ayant le spin nucléaire le plus bas possible, mais qui pourrait également être fabriqué avec des technologies de silicium plus traditionnelles. Elle l'a trouvé avec un oxyde différent, cette fois d'un élément de terre rare :le dioxyde de cérium, également connu sous le nom d'oxyde de cérium (CeO2 ).
Le cérium est l’élément des terres rares le plus abondant et est utilisé comme agent oxydant et catalyseur en chimie industrielle. Contrairement au TiO2 , qui a plusieurs configurations structurelles possibles, CeO2 n'en a qu'un et est extrêmement symétrique. Pour cette raison, les qubits d'erbium dans CeO2 sont plus stables.
"Deux qubits d'erbium différents dans l'oxyde de cérium verront le même environnement cristallin", a déclaré Zhang. "Il est donc très facile de les contrôler simultanément car ils agiront de manière très similaire."
Notamment, la nouvelle technique de localisation développée par memQ n'est pas possible avec une structure cristalline hautement symétrique comme CeO2 - mais Zhang a pu observer des temps de cohérence plus longs à partir des qubits d'erbium, avec un potentiel encore plus long à mesure qu'ils continuent de développer l'expérience. L'ouvrage peut être trouvé sur le serveur de prépublication arXiv .
"Il y a certainement des avantages et des inconvénients pour chaque matériau, et c'est très courant dans le domaine quantique", a déclaré Zhang.
Plus d'informations : Sean E. Sullivan et al, Localisation quasi-déterministe des émetteurs Er dans une couche mince de TiO2 grâce au contrôle de la phase cristalline à l'échelle submicronique, Lettres de physique appliquée (2023). DOI :10.1063/5.0176610
Jiefei Zhang et al, Cohérence optique et de spin de Er 3+ en CeO2 épitaxial sur silicium, arXiv (2023). DOI :10.48550/arxiv.2309.16785
Informations sur le journal : arXiv , Lettres de physique appliquée
Fourni par l'Université de Chicago
