Construire de meilleurs capteurs quantiques

Habituellement, un défaut dans un diamant est une mauvaise chose. Mais pour les ingénieurs, de minuscules taches dans la structure cristalline autrement rigide d’un diamant ouvrent la voie à des capteurs quantiques ultrasensibles qui repoussent les limites des technologies d’aujourd’hui. Aujourd’hui, des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l’Université de Chicago ont mis au point une méthode pour optimiser ces capteurs quantiques, capables de détecter, entre autres, de minuscules perturbations dans les champs magnétiques ou électriques.

Leur nouvelle approche, publiée dans PRX Quantiquetire parti de la façon dont les défauts dans les diamants ou les semi-conducteurs se comportent comme des qubits, la plus petite unité d’information quantique.

« Les chercheurs utilisent déjà ce type de qubit pour fabriquer des capteurs vraiment étonnants », a déclaré le professeur Aashish Clerk, auteur principal du nouveau travail. « Ce que nous avons fait, c’est trouver un meilleur moyen d’obtenir le plus d’informations possible à partir de ces qubits. »

Les Qubits éclairent le chemin

Un diamant parfait est composé d’atomes de carbone disposés dans un réseau répétitif. Remplacez l’un de ces atomes par quelque chose d’autre, comme un atome d’azote, et la façon dont le nouvel atome autonome se trouve au milieu de la structure dure du diamant lui confère des propriétés quantiques uniques. De minuscules changements dans l’environnement, de la température à l’électricité, modifient la façon dont ces « défauts à l’état solide » tournent et stockent l’énergie.

Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient faire briller une lumière sur l’un de ces qubits, puis mesurer comment la lumière est déviée et libérée pour sonder son état quantique. De cette façon, ils peuvent l’utiliser comme capteur quantique.

Cependant, l’analyse des informations d’un défaut à l’état solide est délicate, en particulier lorsque de nombreux qubits de ce type sont intégrés dans un seul capteur. Au fur et à mesure que chaque qubit libère de l’énergie, cette énergie modifie le comportement des qubits à proximité.

« Les qubits finissent tous par être corrélés les uns aux autres d’une manière amusante qui n’a pas de sens classiquement », a déclaré Clerk. « Ce que fait un qubit est intimement lié à ce que font les autres qubits. »

De plus, lorsque la lumière brille sur un qubit suffisamment longtemps, il se réinitialise à son état fondamental, perdant toute information qui y était encodée.

Amplification des informations

Clerk, ainsi que des collègues, dont le chercheur postdoctoral Martin Koppenhöfer, le premier auteur du nouvel article, ont posé une question fondamentale sur la physique de la façon dont les qubits interagissent les uns avec les autres. Au cours de cette recherche, ils ont découvert une nouvelle astuce pour extraire des informations des qubits défectueux à l’état solide.

Lorsqu’un réseau de défauts à l’état solide libère de l’énergie dans une rafale de photons, les chercheurs passent généralement sous silence la nature exacte des qubits au fur et à mesure que cette énergie est libérée ; ils se concentrent plutôt sur les données avant et après cette rafale soudaine.

Le groupe de Clerk a découvert, cependant, que des informations encore plus sensibles sur les qubits sont encodées dans cette libération d’énergie (appelée « désintégration de spin superradiante »).

« Les gens avaient supposé que tous les qubits commençaient excités et qu’ils finissaient tous détendus, et cela semble vraiment ennuyeux », a-t-il déclaré. « Mais nous avons constaté qu’il y avait cette légère variation entre les qubits ; ils ne sont pas tous complètement excités et ils ne se détendent pas tous complètement en synchronie. »

En se concentrant sur ce point temporel longtemps ignoré au milieu de la désintégration du spin superradiant, Clerk et son équipe ont montré comment les informations stockées dans les défauts à l’état solide sont amplifiées.

L’avenir de la détection quantique

Pour les ingénieurs qui tentent de développer des capteurs quantiques qui mesurent tout, des champs magnétiques – pour une meilleure navigation ou analyse des structures moléculaires – aux changements de température à l’intérieur des cellules vivantes, la nouvelle approche offre une amélioration indispensable de la sensibilité.

« Dans le passé, la lecture finale très bruyante des qubits dans ces capteurs a vraiment tout limité », a déclaré Clerk. « Maintenant, ce mécanisme vous amène à un stade où vous ne vous souciez pas de cette lecture finale bruyante ; vous vous concentrez sur les données les plus précieuses encodées avant. »

Son équipe planifie maintenant de futures recherches sur la façon d’améliorer encore plus la sensibilité des défauts à l’état solide en distinguant les données de chaque qubit, plutôt que d’obtenir une lecture de l’ensemble de l’intrication. Ils pensent que leur nouvelle approche rend cet objectif plus réalisable que par le passé.