Les centres colorés du diamant font l’objet d’un nombre croissant d’études en raison de leur potentiel pour le développement de technologies quantiques. Certains travaux ont particulièrement exploré l’utilisation de défauts de diamant du groupe IV chargés négativement, qui présentent une interface spin-photon efficace, comme nœuds de réseaux quantiques.
Des chercheurs de l’Université d’Ulm en Allemagne ont récemment exploité un centre de germanium (GeV) dans le diamant pour réaliser une mémoire quantique. La mémoire quantique qui en résulte, présentée dans un Lettres d’examen physique papiers’est avéré présenter un temps de cohérence prometteur de plus de 20 ms.
« L’objectif principal de notre groupe de recherche est l’exploration des centres de couleur des diamants pour les applications quantiques », a déclaré Katharina Senkalla, co-auteur de l’article, à Phys.org. « Le défaut le plus courant du diamant jusqu’à présent a été le centre de lacunes d’azote, mais, récemment, d’autres centres de couleur sont également devenus un centre de recherche. Il s’agit d’un élément de la colonne IV du tableau périodique : Si, Ge, Sn ou Pb, et une lacune dans le réseau (c’est-à-dire un atome de carbone voisin manquant). »
Il a été constaté que les centres de couleur du groupe IV présentent des émissions beaucoup plus fortes dans la lignée sans phonon que les centres à lacune à l’azote précédemment utilisés. De plus, la symétrie d’inversion de ces centres les rend bien adaptés à l’intégration dans des dispositifs nanophotoniques, une étape importante pour un réseau quantique évolutif efficace basé sur des sources à photons uniques à l’état solide.
« Notre objectif est d’apporter des contributions significatives au développement de réseaux quantiques facilitant la communication quantique longue distance et l’informatique quantique distribuée », a déclaré Senkalla. « Dans le domaine des réseaux quantiques, un aspect crucial est le nœud du réseau quantique, qui nécessite une interface spin-photon efficace et des temps de mémoire étendus. »
Le groupe de recherche de l’Université d’Ulm explore depuis un certain temps déjà le potentiel des défauts du groupe IV en tant que candidats pour les nœuds de réseaux quantiques, en se concentrant récemment sur le centre GeV. Ces défauts particuliers ont une efficacité inhérente à l’interface spin-photon, caractérisée par un flux de photons hautement cohérent.
Un tel flux cohérent de photons est un élément crucial pour permettre une communication quantique efficace sur de longues distances. Néanmoins, la réalisation de systèmes quantiques utilisant des défauts de diamant du groupe IV implique de surmonter divers défis.
« Ces défauts se heurtent à des obstacles liés à des temps de mémoire prolongés dus à la relaxation médiée par les phonons, ce qui a un impact sur la cohérence et le temps de mémoire », a expliqué Senkalla. « Nos travaux récents visent à relever ce défi crucial, en faisant progresser le développement de nœuds de réseaux quantiques robustes. Grâce à nos efforts, nous aspirons à surmonter ces obstacles et à contribuer de manière significative à l’avancement des technologies quantiques. »
Le système développé par Senkalla et ses collègues utilise un GeV comme élément de mémoire quantique. Pour surmonter les défis communément associés aux systèmes quantiques basés sur les défauts du groupe de développement IV, les chercheurs ont utilisé une double stratégie.
La première partie de cette stratégie vise à atténuer l’impact négatif des phonons sur l’information quantique. En fait, les défauts du groupe IV peuvent facilement se coupler avec des phonons, ce qui peut détruire les informations quantiques.
« Pour surmonter ce défi, nous avons utilisé un réfrigérateur à dilution (DR), un appareil sophistiqué largement utilisé pour des expériences informatiques quantiques sophistiquées, par exemple dans les expériences informatiques quantiques d’IBM. Il peut préparer des températures de l’ordre de quelques centaines de millikelvins », a déclaré Senkalla.
« La deuxième partie de notre approche, en revanche, s’attaque au découplage du bruit de spin et à l’optimisation du stockage de l’information. Travailler à une plage de température aussi basse a révélé que le bruit de spin est le principal facteur de décohérence. Pour prolonger les temps de mémoire et protéger les informations quantiques , nous avons mis en œuvre un recentrage méticuleux du spin avec des impulsions micro-ondes et à des intervalles de temps stratégiquement choisis au cours desquels des opérations de calcul peuvent être effectuées.
Un autre aspect que Senkalla et ses collègues ont dû prendre en compte lors du développement de leur mémoire quantique était la gestion de la charge thermique introduite avec chaque impulsion de commande. En fait, les réfrigérateurs à dilution ont une capacité de refroidissement limitée, et dépasser cette capacité limitée pourrait élever la température et ainsi faciliter la génération de phonons, ce qui pourrait à son tour conduire à une décohérence.
« Le développement d’une séquence d’impulsions optimisée impliquait l’utilisation du processus Ornstein-Uhlenbeck, une technique de modélisation du bruit capturant la dynamique du système », a déclaré Senkalla.
« Les simulations Ornstein-Uhlenbeck ont fourni des informations importantes sur la dynamique du bruit, permettant la découverte de séquences équilibrant délicatement le recentrage du spin, les intervalles de calcul et la gestion de la charge thermique expérimentale. »
Les chercheurs ont testé la mémoire quantique proposée dans le cadre d’expériences et de simulations. Notamment, les résultats obtenus lors des simulations étaient étroitement alignés sur les données expérimentales.
« Il s’agit de la première démonstration réussie d’un contrôle efficace de la rotation de la lacune en germanium (GeV) à des températures millikelvin », a déclaré Senkalla. « La méthodologie complète que nous avons introduite, dont la pertinence va au-delà du GeV, offre un potentiel pour faire progresser les performances de la mémoire quantique dans diverses conditions expérimentales et d’autres défauts du groupe IV. »
La conception qui sous-tend la mémoire quantique proposée par les chercheurs est relativement simple et pourrait être reproduite en utilisant d’autres défauts du groupe IV au-delà des GeV. Cette conception s’est finalement avérée prolonger les temps de cohérence des mémoires basées sur GeV d’un facteur allant jusqu’à 45, atteignant un temps de cohérence record de 20 millisecondes.
Les résultats remarquables présentés dans l’article mettent en évidence le potentiel des défauts du GeV pour le développement de systèmes basés sur des réseaux quantiques. À l’avenir, ces travaux pourraient inciter à une plus grande utilisation des défauts du groupe IV pour les applications de communication quantique.
« Notre étude s’étend au-delà du laboratoire, offrant des informations précieuses sur les applications pratiques du GeV et d’autres défauts du groupe IV dans les technologies quantiques », a déclaré Senkalla.
« Nos simulations Ornstein-Uhlenbeck ouvrent la voie à des schémas de contrôle optimisés pour le GeV et des défauts similaires dans diverses conditions expérimentales. L’impact potentiel s’étend à des industries comme Amazon Web Services (AWS), explorant des réseaux quantiques basés sur des défauts du groupe IV comme SiV. »
L’étude récente de Senkalla et de ses collègues pourrait éventuellement contribuer à l’avancement des systèmes de communication quantique, ainsi qu’à diverses industries susceptibles de bénéficier de technologies quantiques hautement performantes. Parallèlement, les chercheurs prévoient de continuer à explorer le potentiel des défauts du diamant GeV en tant que nœuds de réseau quantique.
« En développant notre exploration du GeV et de son potentiel en tant que nœud de réseau quantique, nous intégrons activement le GeV dans un véritable réseau quantique », a déclaré Senkalla.
« Notre équipe d’Ulm est en train de construire des installations expérimentales pour servir de nœuds supplémentaires dans ce réseau quantique, ce qui correspond à notre vision d’Ulm : devenir le site de démonstration d’un réseau quantique centré sur les défauts du groupe IV en Allemagne. »
Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient d’incorporer des GeV dans des cavités nanophotoniques, tout en s’attaquant également aux spins nucléaires environnants. Ces deux étapes sont toutes deux cruciales pour la mise à l’échelle des réseaux quantiques.
« La première de ces étapes améliore notre taux de photons et donc le taux d’intrication et la seconde permet la mise en œuvre de protocoles de correction d’erreurs quantiques, une étape importante vers la réalisation d’une informatique quantique tolérante aux pannes », a ajouté Senkalla.
« Nous sommes engagés dans un voyage passionnant et sommes impatients de pousser plus loin nos recherches. »
Plus d’information:
Katharina Senkalla et al, Poste vacant en germanium dans la mémoire quantique diamant dépassant 20 ms, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.026901. Sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2308.09666
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