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Fabrication de qubits stables dans des diamants

mai 5 / 16

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La puissance potentielle de l’ordinateur quantique provient du qubit – une unité d’information où la physique quantique permet la « superposition » de toutes les valeurs possibles entre 1 et 0. Mais les superpositions quantiques sont si fragiles que même la prise d’une mesure peut entraîner leur effondrement. L’une des questions fondamentales de la recherche en informatique quantique est de savoir comment stabiliser ces superpositions.

Paola Cappellaro, Boursière associée au sein du programme Informatique quantique de l’ICRA et chercheuse au Massachusetts Institute of Technology, a maintenant trouvé une façon de tirer profit des propriétés quantiques des diamants pour stabiliser les superpositions. Elle a mis au point cette technique avec Masashi Hirose, un de ses anciens doctorants, et ils ont publié un article à cet effet ce mois-ci dans la revue Nature.

La façon la plus simple d’assurer la stabilité d’un système fondé sur la physique classique est de recourir à la rétroaction. Par exemple, pour maintenir une température stable dans une chambre, vous installez un thermostat qui donne un coup de pouce au système quand il se met à faire trop chaud ou trop froid. Mais les systèmes de rétroaction ont besoin d’une certaine forme de mesure – et la fragilité des systèmes quantiques rend la chose difficile.

La technique de Cappellaro s’attaque au problème en se servant d’un autre effet quantique, appelé intrication, où l’état d’une particule quantique influence l’état d’une autre. On a démontré la technique en utilisant des qubits associés à des imperfections dans des cristaux de diamant.

Dans un diamant parfait, les atomes de carbone sont agencés dans un réseau cristallin équidistant. Mais dans un diamant imparfait, il manquera quelques atomes de carbone, créant une soi-disant « lacune ». À d’autres emplacements, un atome d’azote peut remplacer un atome de carbone. Si les deux sont adjacents, on parle alors d’un « centre azote-lacune (NV) ».

Le centre NV compte des électrons qui exhibent une propriété quantique, appelée spin, qui peut être soit vers le haut ou vers le bas, ou une combinaison des deux – lui permettant ainsi de fonctionner comme un qubit, l’unité fondamentale de l’information quantique. Le noyau de l’atome d’azote a aussi un spin. Quand il est intriqué avec le centre NV, on peut utiliser le spin du noyau d’azote pour « lire » ou « écrire » l’information entreposée dans le spin du centre NV – sans le type de mesure intrusive qui déstabiliserait habituellement un système quantique.

L’interaction entre les spins électroniques et nucléaires, modulée par des impulsions hyperfréquences externes, entraîne l’intrication des deux spins. Il s’ensuit un qubit qui peut maintenir la superposition mille fois plus longtemps qu’en l’absence d’un système de contrôle.

Les systèmes à base de diamants qu’ont étudiés Capellaro et Hirose fonctionnent seulement sous la forme d’un qubit unique et, en conséquence, présentent une puissance informatique limitée. Mais les chercheurs croient que ces recherches pourraient constituer une première étape essentielle vers la concrétisation de tout un éventail d’applications éventuelles, comme la détection quantique et les communications quantiques.

« Une fois que nous aurons des qubits durables, nous pourrons essayer de les mettre en lien – c’est une façon de faire évoluer le système », dit Cappellaro. « Ces travaux vont plus loin que la fabrication d’ordinateurs quantiques et pourraient se révéler extrêmement utiles dans de nombreux autres domaines. »