Contrôler le spin pour développer l’informatique quantique de demain

Dans le vaste univers de l’électronique, la charge des électrons est habituellement l’élément essentiel des dispositifs. Une autre dimension de l’électron, son spin, suscite de plus en plus d’intérêt pour le développement d’applications quantiques. Les chercheurs sont particulièrement intéressés par l’exploration de nouvelles propriétés induites par la variation de la densité de spin dans les semi-conducteurs. Toutefois, cette densité de spin est généralement difficile à mesurer et à contrôler localement.

Nouvelle méthode de contrôle du spin

Une équipe de chercheurs du MIT, en collaboration avec le Politecnico de Milan, a découvert une méthode permettant de réguler la densité de spin dans le diamant. Ils ont réussi à la modifier à l’aide d’un faisceau laser ou micro-onde externe, ce qui pourrait ouvrir la voie à de nombreuses applications quantiques innovantes. Cette étude a été menée par Guoqing Wang, un doctorant qui a réalisé sa thèse dans le laboratoire de Paola Cappellaro et Ju Li au MIT.

Le défaut de spin, connu sous le nom de centre de vacance azoté (NV) dans le diamant, a été largement étudié pour son potentiel dans diverses applications quantiques. « Les défauts de spin à l’état solide sont l’une des plateformes quantiques les plus prometteuses« , précise Guoqing Wang, car ils peuvent fonctionner dans des conditions ambiantes, contrairement à de nombreux autres systèmes quantiques qui nécessitent des environnements ultra-froids ou spécifiques.

Amélioration de la sensibilité des détecteurs

Les capacités de détection à l’échelle nanométrique des centres NV les rendent prometteurs pour sonder la dynamique de leur environnement de spin, révélant une physique quantique riche à comprendre. La nouvelle approche du doctorant et de son équipe permet d’ajuster la densité de spin pour obtenir une véritable « molette » de réglage du système, une première dans le domaine.

Cette capacité à régler le système pourrait offrir des moyens plus flexibles d’étudier l’hydrodynamique quantique. Plus immédiatement, le nouveau processus pourrait être appliqué à certains dispositifs quantiques de détection à l’échelle nanométrique existants pour en améliorer la sensibilité.

Potentiel pour l’informatique quantique

Le professeur Ju Li, qui a une double nomination aux départements de Science et Ingénierie Nucléaires et de Science et Ingénierie des Matériaux du MIT, explique que les ordinateurs et les systèmes de traitement de l’information d’aujourd’hui sont tous basés sur le contrôle et la détection des charges électriques. Cependant, l’utilisation du spin est à l’origine de certains dispositifs innovants. Par exemple, Intel a expérimenté de nouveaux types de transistors qui couplent spin et charge, ce qui pourrait ouvrir la voie à des dispositifs basés sur la spintronique.

Les transistors CMOS traditionnels consomment beaucoup d’énergie », indique le professeur Li, « mais si vous utilisez le spin, comme dans la conception d’Intel, vous pouvez réduire la consommation d’énergie de manière significative. La société a également développé des dispositifs de qubits à spin à l’état solide pour l’informatique quantique. « Le spin est quelque chose que les gens veulent contrôler dans les solides parce qu’il est plus économe en énergie, et c’est aussi un porteur d’information quantique« .

En synthèse

Le niveau de contrôle sur la densité de spin nouvellement atteint pourrait permettre à chaque centre NV d’agir comme un « radar » à l’échelle atomique qui peut à la fois détecter et contrôler les spins voisins. Cela rend possible de changer dynamiquement la concentration de spin par un facteur de deux. A terme, cela pourrait conduire à des dispositifs où un seul défaut ponctuel ou un seul atome pourrait être l’unité de calcul de base.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le spin ?

Le spin est une propriété quantique intrinsèque des particules élémentaires, comparable à un moment angulaire. Dans le contexte de cette recherche, le spin est exploité comme un nouveau degré de liberté dans les dispositifs quantiques.

Qu’est-ce qu’un centre NV ?

Un centre de vacance azoté (NV) est un type spécifique de défaut de spin dans le diamant. Il est très étudié pour son potentiel dans diverses applications quantiques, notamment comme détecteur ultra-sensible.

Qu’est-ce que la spintronique ?

La spintronique est un domaine de la physique qui cherche à exploiter le spin des électrons pour le traitement et le stockage de l’information. Ce domaine pourrait permettre de développer des dispositifs plus économes en énergie.

Des chercheurs du MIT ont trouvé un moyen de régler la densité de spin dans le diamant en appliquant un laser externe ou un faisceau de micro-ondes. Cette découverte pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour les dispositifs quantiques avancés. La photo montre l’équipement laser utilisé dans les travaux des chercheurs. Crédit : MIT

Selon les auteurs, cette découverte, publiée dans la revue PNAS, pourrait ouvrir de nombreuses nouvelles possibilités pour les dispositifs quantiques avancés. L’article est le fruit d’une collaboration entre des étudiants actuels et anciens des professeurs Paola Cappellaro et Ju Li du MIT, et des collaborateurs de l’École polytechnique de Milan. L’auteur principal de l’article, Guoqing Wang PhD ’23, a travaillé sur sa thèse de doctorat dans le laboratoire de Cappellaro et est maintenant postdoc au MIT.