Des diamants étirés pour des qubits plus performants et économiques

Dans une nouvelle étude soutenue par le centre de recherche quantique Q-NEXT, des chercheurs ont réussi à « étirer » des films de diamant pour créer des qubits plus économiques et plus faciles à contrôler. Cette découverte pourrait rendre les futurs réseaux quantiques plus réalisables.

Une équipe de chercheurs de l’Argonne National Laboratory du Département de l’Énergie des États-Unis, de l’Université de Chicago et de l’Université de Cambridge a annoncé une découverte significative dans l’ingénierie des réseaux quantiques.

En «étirant» des films minces de diamant, ils ont créé des bits quantiques qui peuvent fonctionner avec un équipement et des dépenses significativement réduits. Cette modification rend également les bits plus faciles à contrôler.

Les chercheurs espèrent que les résultats, publiés dans Physical Review X, pourront rendre les futurs réseaux quantiques plus réalisables. « Cette technique vous permet d’augmenter considérablement la température de fonctionnement de ces systèmes, au point qu’il est beaucoup moins intensif en ressources pour les faire fonctionner », a commenté Alex High, professeur assistant à la Pritzker School of Molecular Engineering de l’UChicago, dont le laboratoire a dirigé l’étude.

Dilatation du diamant

Les bits quantiques, ou qubits, ont des propriétés uniques qui les rendent intéressants pour les scientifiques à la recherche de l’avenir des réseaux informatiques. Par exemple, ils pourraient être rendus pratiquement impénétrables aux tentatives de piratage. Il reste toutefois des défis significatifs à résoudre avant qu’il ne puisse devenir une technologie courante et quotidienne.

L’un des principaux problèmes réside dans les «nœuds» qui relaieraient l’information le long d’un réseau quantique. Les qubits qui composent ces nœuds sont très sensibles à la chaleur et aux vibrations, de sorte que les scientifiques doivent les refroidir à des températures extrêmement basses pour qu’ils fonctionnent.

« La plupart des qubits d’aujourd’hui nécessitent un réfrigérateur spécial de la taille d’une pièce et une équipe de personnes hautement qualifiées pour le faire fonctionner, donc si vous imaginez un réseau quantique industriel où vous devriez en construire un tous les cinq ou dix kilomètres, vous parlez maintenant d’une infrastructure et d’un travail considérables », a indiqué Alex High.

Expérimentation avec les matériaux

Le laboratoire de High a travaillé avec des chercheurs de l’Argonne pour expérimenter avec les matériaux à partir desquels ces qubits sont fabriqués pour voir s’ils pouvaient améliorer la technologie.

L’un des types de qubits les plus prometteurs est fabriqué à partir de diamants. Connus sous le nom de «centres de couleur du groupe IV», ces qubits sont connus pour leur capacité à maintenir l’intrication quantique pendant des périodes relativement longues, mais pour ce faire, ils doivent être refroidis à un peu plus que le zéro absolu.

L’équipe voulait jouer avec la structure du matériau pour voir quelles améliorations ils pourraient apporter – une tâche difficile étant donné la dureté des diamants. Mais les scientifiques ont découvert qu’ils pouvaient «étirer» le diamant à un niveau moléculaire s’ils posaient un film mince de diamant sur du verre chaud. À mesure que le verre refroidit, il se rétracte à un rythme plus lent que le diamant, étirant légèrement la structure atomique du diamant – comme le pavé se dilate ou se contracte lorsque la terre se refroidit ou se réchauffe en dessous, a expliqué High.

Impacts de l’étirement

Cet étirement, bien qu’il éloigne les atomes seulement une quantité infinitésimale, a un effet dramatique sur le comportement du matériau.

Premièrement, les qubits peuvent maintenant maintenir leur cohérence à des températures allant jusqu’à 4 Kelvin (ou -452°F ou -233°C). C’est toujours très froid, mais cela peut être réalisé avec un équipement moins spécialisé.

« C’est une différence d’un ordre de grandeur en termes d’infrastructure et de coût d’exploitation », a ajouté Alex High.

Deuxièmement, le changement rend également possible de contrôler les qubits avec des micro-ondes. Les versions précédentes devaient utiliser la lumière dans la longueur d’onde optique pour entrer des informations et manipuler le système, ce qui introduisait du bruit et signifiait que la fiabilité n’était pas parfaite. En utilisant le nouveau système et les micro-ondes, cependant, la fidélité est montée à 99%.

Il est inhabituel de voir des améliorations dans ces deux domaines simultanément, a expliqué Xinghan Guo, un étudiant en doctorat en physique dans le laboratoire de High et premier auteur de l’article.

« Habituellement, si un système a une durée de vie de cohérence plus longue, c’est parce qu’il est bon pour ‘ignorer’ les interférences extérieures – ce qui signifie qu’il est plus difficile à contrôler, car il résiste à ces interférences », a-t-il déclaré encore. « Il est très excitant qu’en faisant une innovation très fondamentale avec la science des matériaux, nous avons pu surmonter ce dilemme. »

En synthèse

Cette recherche a permis de faire un pas significatif vers la réalisation de réseaux quantiques plus réalisables et économiques. En «étirant» des films de diamant, les chercheurs ont réussi à créer des qubits qui peuvent fonctionner avec un équipement et des dépenses significativement réduits, tout en étant plus faciles à contrôler.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un qubit ?

Un qubit, ou bit quantique, est l’unité de base de l’information dans l’informatique quantique, analogue au bit dans l’informatique classique.

Qu’est-ce que l’intrication quantique ?

L’intrication quantique est un phénomène qui se produit lorsque des particules deviennent liées et que l’état de l’une affecte instantanément l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare.

Qu’est-ce que le centre de recherche quantique Q-NEXT ?

Q-NEXT est un centre de recherche quantique qui soutient les travaux de recherche dans le domaine de l’information quantique.

Qu’est-ce que le diamant a à voir avec les qubits ?

Les diamants sont utilisés pour créer un type de qubit connu sous le nom de «centres de couleur du groupe IV». Ces qubits sont connus pour leur capacité à maintenir l’intrication quantique pendant des périodes relativement longues.

Qu’est-ce que la technique d' »étirement » du diamant ?

La technique d’«étirement» du diamant consiste à poser un film mince de diamant sur du verre chaud. À mesure que le verre refroidit, il se rétracte à un rythme plus lent que le diamant, étirant légèrement la structure atomique du diamant.

Principaux enseignements

Enseignements
1. Les films de diamant peuvent être « étirés » pour créer des qubits plus économiques et contrôlables.
2. Cette technique permet d’augmenter considérablement la température de fonctionnement des systèmes quantiques.
3. Les qubits, ou bits quantiques, ont des propriétés uniques qui les rendent intéressants pour l’avenir des réseaux informatiques.
4. Les qubits sont très sensibles à la chaleur et aux vibrations, nécessitant un refroidissement à des températures extrêmement basses pour fonctionner.
5. L’un des types de qubits les plus prometteurs est fabriqué à partir de diamants.
6. L’étirement du diamant à un niveau moléculaire modifie le comportement du matériau.
7. Les qubits peuvent maintenant maintenir leur cohérence à des températures allant jusqu’à 4 Kelvin.
8. Le changement rend également possible de contrôler les qubits avec des micro-ondes.
9. La fidélité du nouveau système de qubits est de 99%.
10. L’innovation avec la science des matériaux a permis de surmonter le dilemme entre la durée de vie de la cohérence et la résistance aux interférences.

Références

Légende illustration principale : En « étirant » de fines couches de diamant, les chercheurs ont créé des bits quantiques qui peuvent fonctionner avec un équipement et des dépenses considérablement réduits. (Illustration de Peter Allen)

Les informations de cet article sont basées sur une étude publiée dans Physical Review X et menée par des chercheurs de l’Argonne National Laboratory du Département de l’Énergie des États-Unis, de l’Université de Chicago et de l’Université de Cambridge.