Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de résoudre des problèmes complexes dans la santé humaine, la découverte de médicaments et l’intelligence artificielle des millions de fois plus rapidement que certains des superordinateurs les plus rapides du monde.
Un réseau d’ordinateurs quantiques pourrait accélérer ces découvertes encore plus rapidement. Mais avant que cela ne puisse se produire, l’industrie informatique aura besoin d’une méthode fiable pour relier des milliards de qubits – ou bits quantiques – avec une précision atomique.
La formation de qubits : un défi pour la communauté scientifique
Les qubits sont formés en plaçant une plaque de silicium entière dans un four de recuit rapide à très haute température. Avec ces méthodes, les qubits se forment aléatoirement à partir de défauts (également connus sous le nom de centres de couleur ou émetteurs quantiques) dans le réseau cristallin du silicium. Et sans connaître exactement où les qubits sont localisés dans un matériau, un ordinateur quantique de qubits connectés sera difficile à réaliser.
Une équipe de recherche dirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) affirme être la première à utiliser un laser femtoseconde pour créer et «annihiler» des qubits sur demande, et avec précision, en dopant le silicium avec de l’hydrogène.
La technique pourrait permettre de créer des ordinateurs quantiques utilisant des qubits optiques programmables ou des «qubits spin-photon» pour relier des nœuds quantiques à travers un réseau distant. Elle pourrait également avancer vers un internet quantique qui est non seulement plus sécurisé mais pourrait également transmettre plus de données que les technologies d’information actuelles par fibre optique.
La formation de qubits dans le silicium avec contrôle programmable
La nouvelle méthode utilise un environnement gazeux pour former des défauts programmables appelés «centres de couleur» dans le silicium. Ces centres de couleur sont des candidats pour des qubits de télécommunications spéciaux ou des « qubits spin-photon ». La méthode utilise également un laser femtoseconde ultra-rapide pour recuire le silicium avec une précision ponctuelle où ces qubits doivent se former précisément. Un laser femtoseconde livre des impulsions d’énergie très courtes dans une quadrillionième de seconde vers une cible de la taille d’un grain de poussière.
Les qubits spin-photon émettent des photons qui peuvent transporter des informations codées dans la rotation électronique sur de longues distances – des propriétés idéales pour soutenir un réseau quantique sécurisé. Les qubits sont les composants les plus petits d’un système d’information quantique qui encode les données dans trois états différents : 1, 0, ou une superposition qui est tout entre 1 et 0.
Découverte d’un nouveau candidat pour les qubits spin-photon
Grâce à l’aide de Boubacar Kanté, un scientifique de la faculté dans la Division des Sciences des Matériaux de Berkeley Lab et professeur d’ingénierie électrique et des sciences informatiques (EECS) à l’UC Berkeley, l’équipe a utilisé un détecteur proche de l’infrarouge pour caractériser les centres de couleur résultants en sondant leurs signaux optiques (photoluminescence).
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Ils ont découvert un émetteur quantique appelé le centre Ci. En raison de sa structure simple, de sa stabilité à température ambiante et de ses propriétés de spin prometteuses, le centre Ci est un candidat intéressant pour les qubits spin-photon qui émettent des photons dans la bande de télécommunications.
«Nous savions que Ci pouvait être formé dans le silicium, mais nous ne nous attendions pas à créer ce nouveau candidat qubit spin-photon avec notre approche,» a dit Kaushalya Jhuria, chercheur postdoctoral de la division ATAP (Accelerator Technology & Applied Physics) du Berkeley Lab
Perspectives pour l’avenir
L’équipe prévoit utiliser la technique pour intégrer des qubits optiques dans des dispositifs quantiques tels que des cavités réflectives et des guides d’ondes, et pour découvrir de nouveaux candidats qubits spin-photon avec des propriétés optimisées pour des applications sélectionnées.
«Maintenant que nous pouvons former des centres de couleur de manière fiable, nous voulons que différents qubits se parlent – ce qui est une incarnation de l’intrication quantique – et voir lesquels performent le mieux. C’est juste le début,» a précisé Kaushalya Jhuria.
«La capacité de former des qubits à des emplacements programmables dans un matériau comme le silicium qui est disponible à grande échelle est un pas excitant vers le réseau et l’informatique quantiques pratiques,» a ajouté Cameron Geddes, directeur de la Division ATAP.
Légende illustration : Kaushalya Jhuria in the lab testing the electronics that are part of the experimental setup used for making qubits in silicon. Credit: Thor Swift/Berkeley Lab
Article : « Programmable quantum emitter formation in silicon » – DOI: 10.1038/s41467-024-48714-2
