Un chercheur du Département de l’Énergie (DOE) des États-Unis, au sein du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), a mis au point une méthode plus rapide pour identifier les meilleurs matériaux à base de diamant pour les ordinateurs quantiques. Cette nouvelle approche a déjà permis d’identifier des matériaux prometteurs pour des capteurs et ordinateurs quantiques fonctionnels, qui pourraient un jour transformer l’ensemble de la recherche scientifique. Les travaux ont récemment été publiés dans la revue ACS Central Science et ont déjà suscité l’attention d’autres experts du domaine.
De nombreux types de matériaux sont actuellement envisagés pour une utilisation dans les technologies quantiques, mais la plupart ne peuvent maintenir un état quantique stable qu’à des températures extrêmement basses. Les matériaux à base de diamant, en revanche, offrent des alternatives prometteuses car ils fonctionnent à température ambiante. C’est l’une des façons dont le PPPL continue de faire progresser les priorités stratégiques nationales, comme la création de la technologie du futur. La technologie quantique est cruciale : les capteurs seraient plus sensibles et plus précis que tout ce qui existe actuellement, et les ordinateurs quantiques seraient capables de résoudre des problèmes hautement complexes bien plus rapidement que n’importe quel supercalculateur traditionnel sur Terre aujourd’hui.
Mais le diamant pur, entièrement composé d’atomes de carbone, ne convient pas. Les défauts dans le diamant sont essentiels pour stocker et traiter l’information. Un défaut peut signifier qu’un atome de carbone manque à son emplacement habituel, qu’un autre type d’atome l’a remplacé, ou les deux. Les amas d’atomes les plus proches d’un défaut constituent l’unité fondamentale de traitement de l’information d’un ordinateur ou capteur quantique, connue sous le nom de qubit.
Traiter les qubits comme des molécules pour accélérer les simulations
La simulation des qubits a traditionnellement été un cauchemar informatique. Mark Martirez, chercheur scientifique au PPPL, a résolu ce problème en « découpant » un petit amas de seulement 16 à 30 atomes autour du défaut. En traitant cet amas comme une molécule isolée, il peut appliquer des outils très précis que les chimistes utilisent depuis des décennies pour étudier des composés simples.
« Comme nous traitons les qubits comme des molécules, le coût du calcul de ces défauts équivaut au coût de la simple modélisation d’une molécule simple », a déclaré Martirez. « Cette méthode a véritablement ouvert les vannes » en matière d’évaluation des qubits.
Grâce à cette nouvelle approche, les chercheurs ont pu simuler la réponse des qubits à des impulsions lumineuses et micro-ondes bien plus rapidement que jamais auparavant. Cela les a conduits à découvrir de nouveaux défauts à base de bore et d’oxygène qui pourraient constituer des qubits utiles.
Créer des qubits de toutes les couleurs
Les scientifiques éclairent les qubits avec un laser et leur envoient des impulsions micro-ondes pour lire les informations qui y sont stockées. La plupart des recherches sur le diamant quantique se sont concentrées sur le défaut azote-lacune, dans lequel un atome de carbone est remplacé par un atome d’azote, et un emplacement voisin — normalement occupé par un autre atome de carbone — est vide. Lorsque les scientifiques dirigent un laser sur ce type particulier de qubit, celui-ci émet une lumière rouge s’il se trouve dans un état quantique particulier. Les défauts à base d’oxygène étudiés par Martirez brillent en bleu, tandis que les défauts à base de bore émettent une lumière ultraviolette. Ces différents centres colorés pourraient potentiellement être utilisés de différentes manières au sein d’un même dispositif quantique.
« On pourrait donc imaginer de combiner différents qubits aux réponses différentes, de sorte qu’on puisse sonder un qubit mais pas l’autre », a déclaré Martirez.
Une compréhension complète de la chimie des qubits pourrait également transformer la conception même de ce que devrait être la structure d’un qubit, a déclaré Martirez. Les scientifiques abordent souvent les qubits à base de diamant comme un problème de physique. Cette nouvelle recherche montre qu’ils peuvent aussi être appréhendés par la chimie, permettant aux scientifiques de concevoir et de construire des qubits comme un chimiste conçoit des molécules sur mesure, telles qu’un nouveau médicament, à des fins spécifiques.
La recherche pourrait permettre à la chimie quantique de s’enrichir elle-même
Quand Martirez songe à l’avenir de son domaine, il souligne qu’il est intéressant de noter que la chimie quantique pourrait contribuer, dans les décennies à venir, à développer des outils pour « s’enrichir elle-même ».
Martirez a indiqué qu’un système multi-qubits fonctionnel améliorerait considérablement le niveau de précision des calculs de chimie quantique. « Nous pourrions décrire de manière plus précise les molécules plus grandes, les biomolécules, les protéines et tout ce qui s’en rapproche, et cela pourrait améliorer toutes les industries liées à la chimie, comme la science pharmaceutique et la science des matériaux. Même notre compréhension fondamentale des systèmes moléculaires pourrait s’en trouver enrichie. »
Martirez a également encouragé d’autres chimistes à s’intéresser à la recherche en physique du solide. « En ce moment, l’accent est fortement mis sur la construction du premier ordinateur à qubits de pointe », a-t-il déclaré. « Mais ce ne sont pas seulement les physiciens qui devraient participer à cette recherche. Les chimistes ont développé, au fil de décennies, une intuition des systèmes chimiques qui pourrait facilement se traduire aussi par une compréhension des défauts dans les solides.
Le PPPL maîtrise l’art d’utiliser le plasma — le quatrième état de la matière — pour relever certains des défis scientifiques et technologiques les plus ardus au monde. Niché sur le campus Forrestal de l’Université de Princeton à Plainsboro, dans le New Jersey, notre travail de recherche stimule l’innovation dans un éventail d’applications, notamment l’énergie de fusion, la fabrication à l’échelle nanométrique, les matériaux et dispositifs quantiques, et la science de la durabilité. L’Université gère le Laboratoire pour l’Office of Science du Département de l’Énergie des États-Unis, qui est le tout premier soutien national de la recherche fondamentale en sciences physiques. Ressentez la chaleur sur https://energy.gov/science et https://www.pppl.gov.
Article : A Chemist’s Guide to Solid-State Qubits: Diamond Color Centers as Embedded Vacancy-Centered Molecules – Journal : ACS Central Science – DOI : Lien vers l’étude
