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Ordinateur quantique : un candidat qubit brille plus que les autres

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Des chercheurs américains sont parvenus à amplifier de manière significative le signal lumineux émis par des centres NV, des impuretés du réseau cristallin du diamant. Une nouvelle pierre apportée à l'édifice de l'ordinateur quantique.

Le physicien Richard Feynman, ici jouant du bongo, est le premier à évoquer la possibilité de tirer avantage d’un ordinateur dont les bits seraient miniaturisés à l’échelle atomique. Un ordinateur qui obéirait aux lois de la physique quantique. « Au lieu de nous plaindre que la simulation des phénomènes quantiques demande des puissances énormes à nos ordinateurs actuels, utilisons la puissance de calcul des phénomènes quantiques pour faire plus puissant que nos ordinateurs actuels », déclarait-il dans les années 1980. © Tom Harvey

Imaginez des émetteurs de très petite taille, dispersés dans une pièce plongée dans l'obscurité. S'ils sont frappés, selon une incidence bien précise, par un faisceau lumineux, ces émetteurs renvoient un signal contenant une information utile. Seulement, les chances pour que le faisceau lumineux frappe les émetteurs sous la bonne incidence sont faibles. Pour augmenter ces chances, rien de tel que de connaître la position exacte des émetteurs dispersés dans la pièce. C'est le challenge qu'ont relevé des chercheurs américains de Harvard, de l'Université de Californie à Santa Barbara et de l'Université de Chicago. Dans leurs travaux publiés dans Applied Physics Letters, les émetteurs sont remplacés par des centres NV et les faisceaux lumineux par des cavités photoniques.

On désigne par le terme de centre NV (NV pour Nitrogen Vacancy), une impureté dans le réseau cristallin du diamant. Une impureté constituée d'un atome d’azote et d'une lacune d'atome qui remplace deux atomes de carbone adjacents. Ce type de défaut intéresse particulièrement les chercheurs qui travaillent à la conception de l'ordinateur quantique. Les centres NV pourraient, en effet, permettre d'enregistrer des informations et de les transmettre sous forme de lumière. Grâce au spin de leur électron non apparié dont le temps de cohérence peut atteindre la seconde. Comment ? Éclairé par un laser, un centre NV émet une lumière dont l'intensité à une fréquence spécifique, caractéristique de l'état du spin de son électron non apparié.

Malheureusement, à température ambiante, la lumière émise par le centre NV se mêle à des émissions parasites. Le signal utile, relativement faible en proportion, est donc difficile à identifier et à extraire. Il doit être amplifié pour devenir vraiment exploitable. Pour ce faire, les scientifiques utilisent une cavité photonique. Cette dernière est une structure qui présente un motif périodique de trous nanométriques qui permet d'améliorer l'émission de lumière des centres NV à leur fréquence principale. Ainsi amplifié, le signal émis par le centre NV pourrait tenir le rôle de qubit, unité fondamentale de l'information quantique.

Une image au microscope électronique de la cavité photonique présentant les trous nanométriques gravés dans la couche contenant les centres NV. La barre d’échelle correspond à une longueur de 200 nanomètres. © Evelyn Hu, Harvard

Localiser les impuretés du réseau cristallin

L'efficacité des cavités photoniques dépend de la correspondance entre la localisation de défauts de taille atomique dans la structure cristalline et le pic de résonance de la cavité. Et comme dit précédemment, c'est bien, jusqu'à aujourd'hui, la localisation des centres NV qui posait problème. Alors, pour surmonter cette difficulté, les chercheurs américains ont mis en œuvre une technique appelée dopage delta. Ils ont ainsi pu réduire l'incertitude sur la localisation des centres NV dans une couche de 200 nanomètres de diamant, à une épaisseur de seulement 6 nanomètres.

Se fiant à leurs résultats, les chercheurs ont ensuite conçu une cavité photonique spécifique qui leur a permis d'amplifier l'intensité de la lumière émise par les centres NV d'un facteur 30. Et ils espèrent encore améliorer leurs résultats en localisant les défauts dans le plan horizontal, en d'autres mots, en précisant la structure 3D du cristal de diamant impur.

En plus de l'ordinateur quantique, les centres NV pourraient aussi servir à produire des capteurs magnétiques et de température à l'échelle moléculaire. Ceux-ci donneraient accès à des mesures de caractéristiques de cellules individuelles.