Un futur réseau quantique pourrait devenir moins complexe grâce aux chercheurs de l'Université de Chicago, du Laboratoire national d'Argonne et de l'Université de Cambridge.
Une équipe de chercheurs a annoncé une percée dans l’ingénierie des réseaux quantiques. En « étirant » de minces films de diamant, ils ont créé des bits quantiques capables de fonctionner avec un équipement et des dépenses considérablement réduits. Le changement rend également les bits plus faciles à contrôler.
Les chercheurs espèrent que les résultats, publiés le 29 novembre dans Physical Review X , peut rendre les futurs réseaux quantiques plus réalisables.
"Cette technique vous permet d'augmenter considérablement la température de fonctionnement de ces systèmes, au point où leur fonctionnement nécessite beaucoup moins de ressources", a déclaré Alex High, professeur adjoint à la Pritzker School of Molecular Engineering, dont le laboratoire a dirigé l'étude. /P>
Les bits quantiques, ou qubits, ont des propriétés uniques qui les rendent intéressants pour les scientifiques en quête de l'avenir des réseaux informatiques :ils pourraient par exemple être rendus pratiquement insensibles aux tentatives de piratage. Mais il y a des défis importants à relever avant que cette technologie puisse devenir une technologie répandue et quotidienne.
L’un des principaux problèmes réside dans les « nœuds » qui relayeraient les informations le long d’un réseau quantique. Les qubits qui composent ces nœuds sont très sensibles à la chaleur et aux vibrations, les scientifiques doivent donc les refroidir à des températures extrêmement basses pour pouvoir travailler.
"La plupart des qubits nécessitent aujourd'hui un réfrigérateur spécial de la taille d'une pièce et une équipe de personnes hautement qualifiées pour le faire fonctionner. Donc, si vous imaginez un réseau quantique industriel où vous devriez en construire un tous les cinq ou dix kilomètres, vous "Nous parlons de pas mal d'infrastructures et de main d'œuvre", a expliqué High.
Le laboratoire de High a travaillé avec des chercheurs de l'Argonne National Laboratory, un laboratoire national du Département américain de l'énergie affilié à UChicago, pour expérimenter les matériaux à partir desquels ces qubits sont fabriqués afin de voir s'ils pouvaient améliorer la technologie.
L’un des types de qubits les plus prometteurs est celui fabriqué à partir de diamants. Connus sous le nom de centres de couleurs du groupe IV, ces qubits sont connus pour leur capacité à maintenir l'intrication quantique pendant des périodes relativement longues, mais pour ce faire, ils doivent être refroidis juste un peu au-dessus du zéro absolu.
L’équipe souhaitait modifier la structure du matériau pour voir quelles améliorations elle pourrait apporter – une tâche difficile compte tenu de la dureté des diamants. Mais les scientifiques ont découvert qu'ils pouvaient « étirer » le diamant au niveau moléculaire s'ils déposaient une fine pellicule de diamant sur du verre chaud. À mesure que le verre refroidit, il rétrécit à un rythme plus lent que le diamant, étirant légèrement la structure atomique du diamant – comme un pavé se dilate ou se contracte à mesure que la terre se refroidit ou se réchauffe en dessous, a expliqué High.
Cet étirement, même s'il ne sépare les atomes que dans une mesure infinitésimale, a un effet dramatique sur le comportement du matériau.
Premièrement, les qubits pourraient désormais conserver leur cohérence à des températures allant jusqu'à 4 Kelvin (ou -452°F). Il fait encore très froid, mais cela peut être réalisé avec un équipement moins spécialisé. "C'est une différence d'un ordre de grandeur en termes d'infrastructure et de coûts d'exploitation", a déclaré High.
Deuxièmement, le changement permet également de contrôler les qubits avec des micro-ondes. Les versions précédentes devaient utiliser la lumière dans la longueur d'onde optique pour saisir des informations et manipuler le système, ce qui introduisait du bruit et signifiait que la fiabilité n'était pas parfaite. Cependant, en utilisant le nouveau système et les micro-ondes, la fidélité est passée à 99 %.
Il est inhabituel de constater des améliorations simultanées dans ces deux domaines, a expliqué Xinghan Guo, titulaire d'un doctorat. étudiant en physique dans le laboratoire de High et premier auteur de l'article.
"Habituellement, si un système a une durée de vie de cohérence plus longue, c'est parce qu'il est capable d'"ignorer" les interférences extérieures, ce qui signifie qu'il est plus difficile à contrôler, car il résiste à ces interférences", a-t-il déclaré. "C'est très excitant qu'en réalisant une innovation très fondamentale avec la science des matériaux, nous ayons pu surmonter ce dilemme."
"En comprenant la physique en jeu pour les centres de couleur du groupe IV dans le diamant, nous avons réussi à adapter leurs propriétés aux besoins des applications quantiques", a déclaré Benjamin Pingault, scientifique au Laboratoire national d'Argonne, également co-auteur de l'étude.
"Grâce à la combinaison d'un temps de cohérence prolongé et d'un contrôle quantique réalisable via les micro-ondes, la voie vers le développement de dispositifs à base de diamant pour les réseaux quantiques est claire pour les centres de postes vacants en étain", a ajouté Mete Atature, professeur de physique à l'Université de Cambridge et co-auteur. sur l'étude.
Plus d'informations : Xinghan Guo et al, Contrôle quantique basé sur les micro-ondes et protection de la cohérence des qubits de spin d'étain vacants dans une hétérostructure à membrane de diamant à réglage de contrainte, Revue physique X (2023). DOI :10.1103/PhysRevX.13.041037
Informations sur le journal : Examen physique X
Fourni par l'Université de Chicago
