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Nanofilaments en diamant pour ordinateur quantique

Au cœur des diamants se cachent parfois des centres colorés. Ces minuscules défauts ouvrent de nombreuses applications en bioimagerie et en nanosciences. Permettant de créer des sources stables émettant un seul photon à la fois, ils ont aussi été utilisés dans des expériences sur les fondements de la mécanique quantique. Des chercheurs viennent de leur trouver de nouvelles applications en utilisant des nanofilaments en diamant.

Une représentation d'artiste des nanofilaments de diamant contenant des centres colorés et émettant des photons. Crédit : Jay Penni Une représentation d'artiste des nanofilaments de diamant contenant des centres colorés et émettant des photons. Crédit : Jay Penni

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Les notions d’information et de calcul quantique sont actuellement en plein développement et elles portent peut-être en elles les germes d’une nouvelle révolution technologique et d’un renouvellement de notre vision du monde. On peut dire qu’elles s’appuient en grande partie sur les travaux d'Alain Aspect, qui a démontré la réalité de l’inséparabilité associée à l’intrication quantique, et sur ceux de Richard Feynman, qui a proposé la notion d’ordinateur quantique.

L’une des voies d’exploration de la notion d’information quantique, aussi bien du point de vue théorique que de celui des applications technologiques, repose sur l’étude de sources de photon unique fondées sur la photoluminescence de défauts ponctuels du diamant. Ces défauts, composés d'un atome d'azote et d'une lacune, peuvent constituer ce qu’on appelle des centres colorés photoluminescents, ou encore des centres NV.

Plus généralement, il s’agit d'impuretés au sein d’un diamant dont on peut contrôler la photoluminescence afin de produire des impulsions contenant un photon et un seul, avec la propriété remarquable et unique d'être parfaitement photostables à température ambiante.

Des photons mieux dirigés

On peut s’en servir pour réaliser des tests fins de la mécanique quantique. C’est par exemple ce qui a été fait il y a quelques années avec une célèbre expérience dite « à choix retardé », imaginée par John Wheeler dans les années 1970, et longtemps restée au stade d’expérience de pensée.

Les dispositifs en diamant contenant des centres NV sont très prometteurs pour la cryptographie quantique ou l'informatique quantiques, et aussi pour les réalisations relevant des nanotechnologies et exploitant l’information quantique. Malheureusement, les dispositifs fabriqués jusqu’à présent ne sont pas aussi pratiques ni aussi miniaturisés qu’on le voudrait.

Cela pourrait changer avec la performance que vient de réaliser une équipe de chercheurs de l’Université de Harvard, dont les résultats sont publiés dans Nature Nanotechnology.

En fabriquant des nanofilaments de diamants contenant des centres NV il devient possible de capter et diriger plus efficacement les photons émis par les centres colorés. L'équipe a déjà obtenu un gain d’efficacité d’un facteur 10 par rapport aux dispositifs déjà existants. En outre, ces nanofilmaents sont plus faciles à fabriquer et à intégrer dans diverses structures d’échelle nanométriques que des objets comme les boîtes quantiques. Comme l’explique Marko Loncar, l’un des chercheurs de Harvard, ces nanofilaments peuvent servir d’interfaces plus efficaces entre le nanomonde des centres colorés et le macromonde des lentilles et des fibres optiques.

Notons toutefois que si ces dispositifs sont susceptibles d’aider à la fabrication d’ordinateurs quantiques manipulant des qubits d’information, il reste toujours à franchir l’obstacle de la décohérence quantique.


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