Percée dans les centres de vacance d’étain pour les applications de réseaux quantiques

L’intrication quantique fait référence à un phénomène de mécanique quantique dans lequel deux particules ou plus sont liées de telle sorte que l’état de chaque particule ne peut être décrit indépendamment des autres, même lorsqu’elles sont séparées par une grande distance. Le principe, qualifié par Albert Einstein d' »action effrayante à distance », est maintenant utilisé dans les réseaux quantiques pour transférer des informations. Les éléments constitutifs de ces réseaux, les nœuds quantiques, peuvent générer et mesurer des états quantiques.

Parmi les candidats qui peuvent fonctionner comme des nœuds quantiques, le centre Sn-V dans le diamant (un défaut où un atome d’étain (Sn) remplace un atome de carbone, résultant en un atome de Sn interstitiel entre deux lacunes de carbone) s’est avéré avoir des propriétés appropriées pour les applications de réseaux quantiques.

Le centre Sn-V devrait présenter un temps de cohérence de spin long de l’ordre de la milliseconde à des températures Kelvin, lui permettant de maintenir son état quantique pendant une période de temps relativement longue. Cependant, ces centres n’ont pas encore produit de photons avec des caractéristiques similaires, ce qui est un critère nécessaire pour créer des états quantiques intriqués à distance entre les nœuds du réseau quantique.

Or, dans une étude publiée dans Examen physique appliquédes chercheurs dirigés par le professeur associé Takayuki Iwasaki de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), au Japon, ont observé des centres Sn-V avec une fréquence de photon et une largeur de raie identiques, marquant une nouvelle phase dans l’utilisation de ces centres comme nœuds quantiques.

« Le contrôle de la largeur de raie et de la longueur d’onde est difficile dans les matériaux à l’état solide. Cela est particulièrement vrai pour les centres Sn-V, qui sont composés d’atomes lourds, car leur incorporation dans le diamant provoque davantage de défauts et une contrainte plus élevée autour des émetteurs », explique le Dr. Iwasaki.

Les chercheurs ont utilisé une combinaison d’implantation ionique et de recuit haute pression-haute température (HPHT) pour former des centres Sn-V dans le diamant. L’implantation ionique a été utilisée pour implanter des ions Sn dans des substrats de diamant.

Ces échantillons ont ensuite été exposés à des températures élevées de 2100 °C et à des pressions élevées de 7,7 GPa dans un appareil de type courroie. Avec ce processus en deux étapes, les chercheurs ont éliminé les effets des défauts de surface et des contraintes sur les propriétés optiques des centres Sn-V et ont résolu les problèmes de défauts normalement rencontrés lors de la génération des centres Sn-V.

« Le traitement à haute température a efficacement traité les dommages au réseau. Par conséquent, la contrainte autour des émetteurs a été largement supprimée. De plus, les centres Sn-V se sont formés à une profondeur d’environ 3 micromètres à partir de la surface des échantillons. Cela a supprimé l’effet de déformation et de défauts chargés à la surface, ce qui pourrait modifier le niveau d’énergie des émetteurs », explique le Dr Iwasaki.

En balayant ensuite les différentes zones de l’échantillon avec un laser accordable à largeur de raie étroite et en analysant la lumière émise, l’équipe a observé plusieurs centres Sn-V avec des fréquences de photons et des largeurs de raie presque identiques, marquant la formation réussie de centres Sn-V stables qui convenaient pour une utilisation en tant que nœuds quantiques.

Le Dr Iwasaki est optimiste quant aux implications futures de leurs travaux. « La formation de centres Sn-V de haute qualité conduit directement à l’observation d’interférences à deux photons entre des émetteurs distants et à l’établissement futur de centres Sn-V dans le diamant en tant qu’interface quantique-lumière matière », dit-il.