En détection quantique, les systèmes quantiques à l’échelle atomique sont utilisés pour mesurer les champs électromagnétiques, ainsi que des propriétés telles que la rotation, l’accélération et la distance, bien plus précisément que ne le peuvent les capteurs classiques. La technologie pourrait par exemple permettre des appareils qui imagent le cerveau avec des détails sans précédent, ou des systèmes de contrôle du trafic aérien avec une précision de positionnement précise.
Alors que de nombreux dispositifs de détection quantique réels émergent, une direction prometteuse est l’utilisation de défauts microscopiques à l’intérieur des diamants pour créer des « qubits » pouvant être utilisés pour la détection quantique. Les qubits sont les éléments constitutifs des appareils quantiques.
Des chercheurs du MIT et d’ailleurs ont développé une technique qui leur permet d’identifier et de contrôler un plus grand nombre de ces défauts microscopiques. Cela pourrait les aider à construire un système plus vaste de qubits capables d’effectuer une détection quantique avec une plus grande sensibilité.
Leur méthode s’appuie sur un défaut central à l’intérieur d’un diamant, connu sous le nom de centre de lacune d’azote (NV), que les scientifiques peuvent détecter et exciter à l’aide de la lumière laser, puis contrôler avec des impulsions micro-ondes. Cette nouvelle approche utilise un protocole spécifique d’impulsions micro-ondes pour identifier et étendre ce contrôle à des défauts supplémentaires non visibles avec un laser, appelés spins sombres.
Les chercheurs cherchent à contrôler un plus grand nombre de spins sombres en les localisant via un réseau de spins connectés. À partir de ce spin NV central, les chercheurs construisent cette chaîne en couplant le spin NV à un spin sombre proche, puis utilisent ce spin sombre comme sonde pour trouver et contrôler un spin plus éloigné qui ne peut pas être détecté directement par le NV. . Le processus peut être répété sur ces spins plus éloignés pour contrôler des chaînes plus longues.
« Une leçon que j’ai tirée de ce travail est que chercher dans le noir peut être assez décourageant quand on ne voit pas de résultats, mais nous avons pu prendre ce risque. Il est possible, avec un peu de courage, de chercher dans des endroits que les gens n’ont jamais explorés auparavant et de trouver des qubits potentiellement plus avantageux », explique Alex Ungar, doctorant en génie électrique et informatique et membre du Groupe d’ingénierie quantique au MIT, qui est l’auteur principal d’un papier sur cette technique, publiée aujourd’hui dans PRX Quantique.
Ses co-auteurs incluent son conseiller et auteur correspondant, Paola Cappellaro, professeur d’ingénierie Ford au Département des sciences et de l’ingénierie nucléaires et professeur de physique ; ainsi qu’Alexandre Cooper, chercheur scientifique principal à l’Institut d’informatique quantique de l’Université de Waterloo ; et Won Kyu Calvin Sun, ancien chercheur du groupe Cappellaro qui est maintenant postdoctorant à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.
Défauts du diamant
Pour créer des centres NV, les scientifiques implantent de l’azote dans un échantillon de diamant.
Mais l’introduction d’azote dans le diamant crée d’autres types de défauts atomiques dans l’environnement. Certains de ces défauts, y compris le centre NV, peuvent héberger ce que l’on appelle des spins électroniques, qui proviennent des électrons de valence autour du site du défaut. Les électrons de Valence sont ceux qui se trouvent dans la couche la plus externe d’un atome. L’interaction d’un défaut avec un champ magnétique externe peut être utilisée pour former un qubit.
Les chercheurs peuvent exploiter ces spins électroniques provenant de défauts voisins pour créer davantage de qubits autour d’un seul centre NV. Cette plus grande collection de qubits est connue sous le nom de registre quantique. Avoir un registre quantique plus grand augmente les performances d’un capteur quantique.
Certains de ces défauts de spin électronique sont connectés au centre NV par interaction magnétique. Dans des travaux antérieurs, les chercheurs ont utilisé cette interaction pour identifier et contrôler les spins proches. Cependant, cette approche est limitée car le centre NV n’est stable que pendant une courte période de temps, principe appelé cohérence. Il ne peut être utilisé que pour contrôler les quelques spins pouvant être atteints dans cette limite de cohérence.
Dans ce nouvel article, les chercheurs utilisent un défaut de spin électronique proche du centre NV comme sonde pour trouver et contrôler un spin supplémentaire, créant ainsi une chaîne de trois qubits.
Ils utilisent une technique connue sous le nom de double résonance d’écho de spin (SEDOR), qui implique une série d’impulsions micro-ondes qui découplent un centre NV de tous les spins électroniques qui interagissent avec lui. Ensuite, ils appliquent sélectivement une autre impulsion micro-onde pour associer le centre NV à une rotation proche.
Contrairement au NV, ces spins sombres voisins ne peuvent pas être excités ou polarisés avec la lumière laser. Cette polarisation est une étape nécessaire pour les contrôler avec les micro-ondes.
Une fois que les chercheurs ont trouvé et caractérisé un spin de première couche, ils peuvent transférer la polarisation du NV à ce spin de première couche via l’interaction magnétique en appliquant simultanément des micro-ondes aux deux spins. Ensuite, une fois le spin de la première couche polarisé, ils répètent le processus SEDOR sur le spin de la première couche, en l’utilisant comme sonde pour identifier un spin de la deuxième couche qui interagit avec lui.
Contrôler une chaîne de tours sombres
Ce processus SEDOR répété permet aux chercheurs de détecter et de caractériser un nouveau défaut distinct situé en dehors de la limite de cohérence du centre NV. Pour contrôler ce spin plus éloigné, ils appliquent soigneusement une série spécifique d’impulsions micro-ondes qui leur permettent de transférer la polarisation du centre NV le long de la chaîne vers ce spin de deuxième couche.
“Cela ouvre la voie à la construction de registres quantiques plus grands pour des spins de couches supérieures ou des chaînes de spin plus longues, et montre également que nous pouvons trouver ces nouveaux défauts qui n’avaient pas été découverts auparavant en développant cette technique”, explique Ungar.
Pour contrôler un spin, les impulsions micro-ondes doivent être très proches de la fréquence de résonance de ce spin. De minuscules dérives dans la configuration expérimentale, dues à la température ou aux vibrations, peuvent perturber les impulsions micro-ondes.
Les chercheurs ont pu optimiser leur protocole pour envoyer des impulsions micro-ondes précises, ce qui leur a permis d’identifier et de contrôler efficacement les spins de la deuxième couche, explique Ungar.
« Nous recherchons quelque chose dans l’inconnu, mais en même temps, l’environnement n’est peut-être pas stable, donc vous ne savez pas si ce que vous trouvez n’est que du bruit. Une fois que vous commencez à voir des choses prometteuses, vous pouvez mettre tous vos efforts dans cette direction. Mais avant d’y arriver, c’est un acte de foi », explique Cappellaro.
Bien qu’ils aient pu démontrer efficacement une chaîne à trois spins, les chercheurs estiment qu’ils pourraient étendre leur méthode à une cinquième couche en utilisant leur protocole actuel, ce qui pourrait donner accès à des centaines de qubits potentiels. Avec une optimisation plus poussée, ils pourront peut-être évoluer jusqu’à plus de 10 couches.
À l’avenir, ils prévoient de continuer à améliorer leur technique pour caractériser et sonder efficacement d’autres spins électroniques dans l’environnement et explorer différents types de défauts qui pourraient être utilisés pour former des qubits.
Cette recherche est financée en partie par la National Science Foundation des États-Unis et le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada.
2024-02-08 08:00:00
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