En informatique quantique, la question de savoir quel système physique et quels degrés de liberté au sein de ce système peuvent être utilisés pour coder des bits d’information quantiques – en bref, des qubits – est au cœur de nombreux projets de recherche menés dans les laboratoires de physique et d’ingénierie.
Les qubits supraconducteurs, les qubits de spin et les qubits codés dans le mouvement des ions piégés sont déjà largement reconnus comme des candidats privilégiés pour les futures applications pratiques des ordinateurs quantiques; d'autres systèmes doivent être mieux compris et offrent ainsi un terrain stimulant pour des recherches fondamentales.
Rebekka Garreis, Chuyao Tong, Wister Huang et leurs collègues du groupe des professeurs Klaus Ensslin et Thomas Ihn du Département de physique de l'ETH Zurich se sont penchés sur les points quantiques de graphène bicouche (BLG), connus comme plate-forme potentielle pour les qubits de spin. , pour savoir si un autre degré de liberté de BLG peut être utilisé pour coder des informations quantiques.
Leurs dernières découvertes, viennent d'être publiées dans Nature Physics avec des collaborateurs de l'Institut national pour la science des matériaux au Japon, montrent que le soi-disant degré de liberté de la vallée dans BLG est associé à des états quantiques qui ont une durée de vie extrêmement longue et méritent donc d'être examinés plus en détail en tant que ressource supplémentaire pour l'énergie quantique à l'état solide. informatique.
Le graphène est un matériau bidimensionnel constitué d’une seule couche d’atomes de carbone liés dans une structure de réseau hexagonal. Son apparence en forme de feuille est trompeuse, car le graphène fait partie des matériaux les plus résistants sur Terre ; ses propriétés mécaniques et électroniques présentent un grand intérêt pour de nombreux secteurs industriels.
Dans le graphène bicouche, le système utilisé par les chercheurs, deux feuilles d'atomes de carbone se superposent. Le graphène et le BLG sont tous deux des semi-métaux, car ils n'ont pas la bande interdite d'énergie caractéristique des semi-conducteurs et, plus particulièrement, des isolants. Néanmoins, une bande interdite réglable peut être conçue dans BLG en appliquant un champ électrique perpendiculairement au plan des feuilles.
L'ouverture d'une bande interdite est nécessaire pour utiliser le BLG comme matériau hôte pour les points quantiques, qui sont des « boîtes » à l'échelle nanométrique capables de confiner un ou quelques électrons. Généralement fabriqués dans des matériaux hôtes semi-conducteurs, les points quantiques offrent un excellent contrôle sur les électrons individuels. Pour cette raison, ils constituent une plate-forme importante pour les qubits de spin, des systèmes dans lesquels l'information quantique est codée dans le degré de liberté du spin électronique.
Parce que l’information quantique est beaucoup plus susceptible d’être corrompue – et donc impropre aux tâches de calcul – par l’environnement environnant que son homologue classique, les chercheurs qui étudient différents qubits candidats doivent caractériser leurs propriétés de cohérence :celles-ci leur indiquent dans quelle mesure et pendant combien de temps l’information quantique est corrompue. les informations peuvent survivre dans leur système de qubits.
Dans la plupart des points quantiques traditionnels, la décohérence du spin électronique peut être provoquée par l'interaction spin-orbite, qui introduit un couplage indésirable entre le spin électronique et les vibrations du réseau hôte et l'interaction hyperfine entre le spin électronique et les spins nucléaires environnants. /P>
Dans le graphène ainsi que dans d'autres matériaux à base de carbone, le couplage spin-orbite et l'interaction hyperfine sont tous deux faibles :cela rend les points quantiques de graphène particulièrement attrayants pour les qubits de spin. Les résultats rapportés par Garreis, Tong et leurs co-auteurs ajoutent une facette prometteuse au tableau.
Le réseau hexagonal de BLG peut être visualisé avec des techniques de microscopie spécifiques.
La symétrie hexagonale observée dans cet espace dit réel est également présente dans l'espace d'impulsion, où les sommets du réseau ne correspondent pas aux emplacements spatiaux des atomes de carbone mais aux valeurs d'impulsion associées aux électrons libres sur le réseau. Dans l'espace d'impulsion, les électrons libres se trouvent dans les minima et maxima locaux du paysage énergétique, notamment aux points de rencontre des bandes de conduction et de valence.
Ces extrema énergétiques sont appelés vallées. Dans BLG, la symétrie hexagonale dicte l'existence de deux vallées d'énergie dégénérées (c'est-à-dire caractérisées par la même énergie électronique) correspondant à des valeurs de moment électronique opposées. Ce degré de liberté de vallée peut être traité de la même manière que le spin électronique dans BLG :les vallées du graphène sont communément appelées pseudo-spins.
Alors que les états de vallée dans le graphène bicouche étaient connus auparavant, leur pertinence en tant que qubits pratiques restait floue jusqu'à présent.
Garreis, Tong et leurs collègues ont considéré un double point quantique, c'est-à-dire deux points avec couplage accordable, dans BLG et ont mesuré le temps de relaxation pour les états de vallée et de spin. Le temps de relaxation définit l'échelle temporelle sur laquelle le système effectue une transition d'un état de vallée ou de spin à un autre et, à la suite du processus de relaxation, perd son énergie et devient impropre à d'autres opérations de qubit.
L'équipe de recherche constate que les états de vallée ont des temps de relaxation supérieurs à une demi-seconde, un résultat qui laisse entrevoir des propriétés de cohérence prometteuses pour les futurs qubits de vallée.
La mesure du temps de relaxation de spin dans la double boîte quantique BLG donne une valeur inférieure à 25 ms, ce qui est beaucoup plus court que le temps de relaxation pour les états de vallée mais est en bon accord avec les temps de relaxation de spin mesurés dans les boîtes quantiques semi-conductrices. Il est important de noter que les deux valeurs sont acceptables pour une manipulation et une lecture de qubits de haute qualité.
Dans l’article, les chercheurs mettent également en évidence des aspects qui nécessitent des recherches expérimentales et théoriques plus approfondies. Ils présentent des données montrant la dépendance des temps de relaxation pour les états de spin et de vallée sur deux paramètres qui devraient jouer un rôle dans la dynamique de relaxation des états.
Un paramètre est le désaccord énergétique :il s’agit de la différence d’énergie entre les états fondamentaux de deux configurations distinctes pour le double point quantique. Faire varier le désaccord, c'est agir sur la différence d'énergie entre les états impliqués dans le processus de relaxation. L'autre paramètre est connu sous le nom de couplage entre points et détermine la facilité avec laquelle un électron d'un point quantique peut « pénétrer » sur le territoire de l'autre point.
Les auteurs rapportent des comportements qui ne peuvent pas être expliqués par les mécanismes habituellement en jeu dans les qubits de spin à points quantiques. Il a été démontré que le temps de relaxation augmente avec un désaccord d'énergie plus élevé, ce qui ne correspond pas aux observations effectuées dans d'autres systèmes. Remarquablement, la variation du couplage entre points n'affecte pas le temps de relaxation de la vallée.
Il est clair qu'une compréhension plus complète des mécanismes affectant les temps de relaxation des vallées et des spins est nécessaire pour identifier les variables qui pourraient fonctionner le mieux pour manipuler les futurs qubits de vallée. Parallèlement, les résultats présentés par Garreis, Tong et leurs collaborateurs plaident en faveur de l'ajout d'états de vallée dans les points quantiques BLG au paysage de l'informatique quantique à semi-conducteurs.
Plus d'informations : Rebekka Garreis et al, États de vallée à longue durée de vie dans les points quantiques de graphène bicouche, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-023-02334-7
Informations sur le journal : Physique de la nature
Fourni par l'ETH Zurich
