Les défauts atomiques du diamant au service des réseaux quantiques
Les centres de lacune du silicium et de l’étain sont des défauts dans le réseau cristallin du diamant. Les propriétés uniques de ces émetteurs optiques brillants à bande étroite, qui consistent en un atome de silicium (ou d’étain) remplaçant deux atomes de carbone voisins du diamant, en font d’excellents candidats pour les qubits. «Les impuretés atomiques du diamant peuvent traiter l’information en utilisant leur spin, une propriété qui s’apparente à un petit aimant lié au défaut atomique et régi par la mécanique quantique», note Benjamin Pingault, coordinateur du projet COHESiV qui a reçu un financement du programme Actions Marie Skłodowska-Curie.
Vibrations mécaniques médiatrices du transfert d’informations
Le spin des centres de lacune du silicium peut coder l’information provenant des photons. Une fois encodée, l’information doit être traitée et partagée avec d’autres spins. Mais comment ce transfert d’informations entre d’autres qubits pourrait-il avoir lieu? La réponse réside dans la sensibilité unique de ces centres aux vibrations du réseau diamantaire. Comme l’explique Benjamin Pingault, «notre objectif a donc été de générer des vibrations de manière contrôlée. Nous pouvons ainsi les utiliser pour contrôler le spin des centres de lacune du silicium et faciliter l’interaction avec d’autres spins». Les vibrations mécaniques peuvent interagir avec divers systèmes physiques, agissant comme un médiateur entre des systèmes quantiques très différents qui, autrement, ne pourraient pas interagir. Mais cette interaction affecte la nature délicate de l’information quantique. «L’information quantique peut être fragile, et les spins ne peuvent la conserver de manière fiable que pendant une durée limitée», explique Benjamin Pingault. «Pour prolonger ce temps de stockage, nous tirons parti de la présence de spins appartenant aux noyaux de certains atomes de carbone dans le diamant. Ces spins nucléaires interagissent très peu avec leur environnement, ce qui en fait d’excellentes mémoires pour le stockage d’informations».
Établissement de longs temps de cohérence sur des qubits de spin nucléaires
Tout au long du projet COHESiV, les chercheurs ont réussi à interfacer le spin des centres de lacune du silicium avec les ondes acoustiques de surface. «Ces vibrations mécaniques se propagent uniquement à la surface du matériau, comme des ondulations sur l’eau. En envoyant des salves à des moments précis, nous avons contrôlé l’état quantique des spins de lacune de silicium à des intervalles spécifiques», explique Benjamin Pingault. «Nous sommes également parvenus à contrôler les spins nucléaires proches, démontrant ainsi leur excellente capacité à stocker des informations pendant des dizaines de millisecondes, ce qui est suffisamment long pour exécuter de nombreux algorithmes quantiques», souligne Benjamin Pingault. «Nos recherches ont montré que les paires de spins nucléaires possèdent l’un des temps de cohérence les plus longs parmi les plateformes à l’état solide», explique Benjamin Pingault. «Comprendre les mécanismes qui leur permettent de stocker des informations pendant des périodes aussi longues peut contribuer à réduire la sensibilité des systèmes quantiques à leur environnement, ce qui les rend plus résistants aux erreurs des algorithmes quantiques». Pour augmenter encore ce temps de stockage, les chercheurs ont étudié les spins nucléaires situés à proximité les uns des autres et formant des paires dans le réseau du diamant. «Nous avons constaté que ces paires peuvent stocker des informations quantiques pendant plus d’une minute grâce à une combinaison de caractéristiques spécifiques qui augmentent considérablement leur insensibilité à leur environnement», ajoute Benjamin Pingault. En définitive, les chercheurs ont étudié une impureté récemment découverte dans le diamant, le centre de lacune de l’étain. À l’instar du centre de lacune du silicium, il possède un spin mais présente des propriétés optiques supérieures. En incorporant des centres de lacune d’étain uniques dans des cavités de cristal photonique, l’équipe a renforcé l’interaction de lacune de l’étain avec la lumière, améliorant ainsi l’efficacité du transfert d’informations à travers les réseaux quantiques.
Mots‑clés
COHESiV, diamant, spin nucléaire, centre de lacune du silicium, réseaux quantiques, défaut atomique, temps de cohérence, transfert d’informations
