La perspective d’un Internet quantique, connectant des ordinateurs quantiques et capable de transmettre des données hautement sécurisées, est séduisante, mais sa réalisation pose un formidable défi. Le transport d’informations quantiques nécessite de travailler avec des photons individuels plutôt qu’avec les sources lumineuses utilisées dans les réseaux de fibres optiques conventionnels.
Pour produire et manipuler des photons individuels, les scientifiques se tournent vers des émetteurs de lumière quantique, également appelés centres de couleurs. Ces défauts à l’échelle atomique dans les matériaux semi-conducteurs peuvent émettre des photons uniques de longueur d’onde ou de couleur fixe et permettre aux photons d’interagir de manière contrôlée avec les propriétés de spin des électrons.
Une équipe de chercheurs a récemment démontré une technique plus efficace pour créer des émetteurs quantiques à l’aide de faisceaux d’ions pulsés, approfondissant ainsi notre compréhension de la formation des émetteurs quantiques. Les travaux ont été dirigés par Thomas Schenkel, Liang Tan et Boubacar Kanté, chercheurs du Département de l’énergie du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), qui est également professeur agrégé de génie électrique et d’informatique à l’Université de Californie à Berkeley.
Les résultats sont apparus dans Examen physique appliqué et font partie d’un effort plus large de l’équipe visant à identifier les meilleurs émetteurs de défauts quantiques pour le traitement et le transport de l’information quantique et à les produire avec précision.
« Les centres de couleurs que nous créons sont candidats pour devenir l’épine dorsale d’un Internet quantique et une ressource clé pour le traitement évolutif de l’information quantique », a déclaré Schenkel, scientifique principal de la division ATAP (Technologie des accélérateurs et physique appliquée) du laboratoire de Berkeley. « Ils pourraient prendre en charge la liaison des nœuds d’informatique quantique pour une informatique quantique évolutive. »
Dans ce travail, l’équipe a ciblé la fabrication d’un type spécifique de centre de couleur en silicium comprenant deux atomes de carbone substitutionnels et un atome de silicium légèrement délogé. La méthode conventionnelle de production des défauts consiste à frapper le silicium avec un faisceau continu d’ions à haute énergie ; cependant, les chercheurs ont découvert qu’un faisceau d’ions pulsé est nettement plus efficace, produisant beaucoup plus de centres de couleurs souhaités.
« Nous avons été surpris de constater que ces défauts peuvent être générés plus facilement avec des faisceaux d’ions pulsés », a déclaré Wei Liu, chercheur postdoctoral à l’ATAP et premier auteur de la publication. « À l’heure actuelle, l’industrie et le monde universitaire utilisent principalement des faisceaux continus, mais nous avons démontré une approche plus efficace. »
Les chercheurs pensent que les excitations transitoires créées par le faisceau pulsé, où la température et l’énergie du système changent rapidement, sont essentielles à la formation plus efficace du centre de couleur, comme ils l’ont établi lors d’une étude antérieure utilisant des faisceaux d’ions pulsés provenant d’un accélérateur laser. Publié dans Supports de communication.
L’équipe a caractérisé les centres de couleur à des températures cryogéniques à l’aide de détecteurs proche infrarouge très sensibles pour sonder leurs signaux optiques. Ils ont découvert que l’intensité du faisceau d’ions utilisé pour créer les centres de couleur modifiait les propriétés optiques des photons qu’ils émettaient.
Des simulations informatiques à grande échelle sur le système Perlmutter au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) ont fourni des informations supplémentaires sur la découverte, révélant que la longueur d’onde des photons émis est sensible à la contrainte dans le réseau cristallin.
« Les calculs de structure électronique selon les premiers principes sont devenus la méthode incontournable pour comprendre les propriétés des défauts », a ajouté Vsevolod Ivanov, chercheur postdoctoral à la Molecular Foundry et co-premier auteur de la publication. « Nous avons atteint le point où nous pouvons prédire le comportement d’un défaut, même dans des environnements complexes. »
Les résultats suggèrent également une nouvelle application des centres de couleur des émetteurs quantiques en tant que capteurs de rayonnement.
« Cela ouvre de nouvelles directions », a déclaré Tan, chercheur à la fonderie moléculaire du Berkeley Lab. « Nous pouvons former ce centre de couleur en frappant simplement du silicium avec un proton. Nous pourrions potentiellement l’utiliser comme détecteur de matière noire ou de neutrinos avec directionnalité, car nous voyons ces différents champs de déformation en fonction de la provenance du rayonnement. »
Grâce à cette compréhension plus approfondie de la formation et des propriétés des émetteurs quantiques, l’équipe continue d’élargir son exploration des centres de couleur. Les travaux en cours comprennent générer une base de données de centres de couleurs dont l’existence est prévue dans le siliciumen utilisant des simulations informatiques pour identifier ceux qui sont les mieux adaptés aux applications d’informatique quantique et de réseautageet affiner les techniques de fabrication pour obtenir un contrôle déterministe sur création de centres de couleurs individuels.
« Nous travaillons vers un nouveau paradigme de qubits par conception », a déclaré Kanté. « Pouvons-nous créer de manière fiable un centre de couleurs donné qui fonctionne dans la bande des télécommunications, a une luminosité suffisante, n’est pas trop difficile à réaliser, possède une mémoire, etc. ? Nous sommes engagés dans cette quête et avons démontré des progrès passionnants. »
« Les nouvelles voies de formation de centres de couleur à l’aide de faisceaux intenses découvertes dans ces travaux constituent une application passionnante des conditions de haute densité d’énergie et de la science du plasma pour améliorer les technologies de la science de l’information quantique », a déclaré Cameron Geddes, directeur de la division ATAP.
Plus d’information:
Wei Liu et al, Dynamique de la formation des émetteurs quantiques et sondage du désordre atomique induit par les radiations dans le silicium, Examen physique appliqué (2023). DOI : 10.1103/PhysRevApplied.20.014058