Un partenariat prometteur : des scientifiques démontrent une nouvelle combinaison de matériaux pour la science quantique

Suite à une récente démonstration de principe, les chercheurs ajoutent une nouvelle combinaison de composés à la liste des matériaux quantiques.

Dans une étude rapportée dans ACS Photonique, les chercheurs ont combiné deux structures nanométriques – une en diamant et une en niobate de lithium – sur une seule puce. Ils ont ensuite envoyé la lumière du diamant au niobate de lithium et ont mesuré la fraction de lumière qui a réussi à traverser.

Plus cette fraction est élevée, plus le couplage des matériaux est efficace et plus le couplage en tant que composant dans les dispositifs quantiques est prometteur.

Le résultat : 92 % de la lumière est passée du diamant au niobate de lithium.

La recherche a été financée en partie par Q-NEXT, un centre national de recherche sur les sciences de l'information quantique du département américain de l'Énergie (DOE), dirigé par le laboratoire national d'Argonne du DOE. Amir Safavi-Naeini et Jelena Vuckovic de l'Université de Stanford ont dirigé l'étude.

“Obtenir une efficacité de 92 % avec cet appareil a été un résultat passionnant”, a déclaré Hope Lee, co-auteur de l'article et titulaire d'un doctorat. étudiant à l'Université de Stanford et chercheur qui a travaillé avec le directeur de Q-NEXT David Awschalom alors qu'il était étudiant à l'Université de Chicago. “Cela a montré les avantages de la plateforme.”

Un peu sur les qubits

Les technologies quantiques exploitent les caractéristiques particulières de la matière à l’échelle moléculaire pour traiter l’information. Les ordinateurs, réseaux et capteurs quantiques devraient avoir un impact énorme sur nos vies dans des domaines tels que la médecine, la communication et la logistique.

Les informations quantiques sont transmises sous forme de paquets appelés qubits, qui peuvent prendre plusieurs formes. Dans la nouvelle plateforme de l'équipe de recherche, les qubits transmettent des informations sous forme de particules de lumière.

Des qubits fiables sont essentiels pour des technologies telles que les réseaux de communication quantique. Comme dans les réseaux traditionnels, les informations dans les réseaux quantiques voyagent d’un nœud à un autre. Les qubits stationnaires stockent des informations dans un nœud ; les qubits volants transportent des informations entre les nœuds.

La nouvelle puce de l'équipe de recherche constituerait la base d'un qubit stationnaire. Plus le qubit stationnaire est robuste, plus le réseau quantique est fiable et plus la distance que les réseaux peuvent couvrir est grande. Un réseau quantique couvrant tout un continent est à portée de main.

Un avantage matériel

Le diamant a longtemps été présenté comme un excellent foyer pour les qubits. D’une part, la structure moléculaire du diamant peut être facilement manipulée pour héberger des qubits stationnaires. D’autre part, un qubit hébergé par un diamant peut conserver les informations pendant une période relativement longue, ce qui signifie plus de temps pour effectuer des calculs. De plus, les calculs effectués à l’aide de qubits hébergés par des diamants présentent une grande précision.

Le partenaire de Diamond dans l'étude du groupe, le niobate de lithium, est un autre acteur vedette en matière de traitement de l'information quantique. Ses propriétés particulières confèrent aux scientifiques une polyvalence en leur permettant de modifier la fréquence de la lumière qui le traverse. Par exemple, les chercheurs peuvent appliquer un champ électrique ou une contrainte mécanique au niobate de lithium pour ajuster la façon dont il canalise la lumière. Il est également possible d'inverser l'orientation de sa structure cristalline. Faire cela à intervalles réguliers est une autre façon de façonner le passage de la lumière à travers le matériau.

“Vous pouvez utiliser ces propriétés du niobate de lithium pour convertir et modifier la lumière provenant du diamant, en la modulant de manière utile pour différentes expériences”, a déclaré Jason Herrmann, co-auteur de l'article et titulaire d'un doctorat. étudiant à Stanford. “Par exemple, vous pouvez convertir la lumière en une fréquence utilisée par l'infrastructure de communication existante. Les propriétés du niobate de lithium sont donc vraiment bénéfiques.”

Un couple puissant

Traditionnellement, la lumière des qubits hébergés dans des diamants est acheminée soit vers un câble à fibre optique, soit vers un espace libre. Dans les deux cas, le dispositif expérimental est lourd. Les câbles à fibre optique sont longs, pendants et souples. Et transmettre des qubits dans l’espace libre nécessite des équipements volumineux.

Tout cet équipement disparaît lorsque la lumière des qubits du diamant est canalisée vers le niobate de lithium. Presque tous les composants peuvent être placés sur une petite puce.

“Il y a un avantage à avoir autant d'appareils et de fonctionnalités que possible sur une seule puce”, a déclaré Lee. “C'est plus stable. Et ça permet vraiment de miniaturiser vos configurations.”

Non seulement cela, mais comme les deux appareils sont reliés par un filament très fin – 1/100 de la largeur d'un cheveu humain – la lumière quantique est comprimée dans le passage étroit qui mène au niobate de lithium, augmentant ainsi l'interaction de la lumière. avec le matériau et facilite la manipulation des propriétés de la lumière.

“Lorsque toutes les différentes particules lumineuses interagissent ensemble dans un si petit volume, vous obtenez une efficacité beaucoup plus élevée dans le processus de conversion”, a déclaré Herrmann. “Le fait de pouvoir réaliser cela sur la plate-forme intégrée permettra, espérons-le, d'obtenir des rendements bien supérieurs à ceux d'une configuration utilisant des fibres ou de l'espace libre.”

Une assemblée exigeante

L’un des défis du développement de la plateforme a été de manipuler le diamant – d’à peine 300 nanomètres de large – pour l’aligner sur le niobate de lithium.

“Nous avons dû piquer le diamant avec de minuscules petites aiguilles pour le déplacer jusqu'à ce qu'il semble visiblement qu'il se trouvait au bon endroit sur cette plaque”, a déclaré Lee. “C'est presque comme si tu le poussais avec de petites baguettes.”

Mesurer la lumière transférée était un autre processus fastidieux.

“Nous devons vraiment nous assurer de prendre en compte tous les endroits où la lumière est transmise ou perdue pour pouvoir dire : 'C'est la quantité qui passe du diamant au niobate de lithium'”, a déclaré Herrmann. “Cette mesure d'étalonnage a nécessité beaucoup d'allers-retours pour nous assurer que nous la faisions correctement.”

L’équipe prévoit d’autres expériences qui exploiteront les avantages de l’information quantique offerts par le niobate de diamant et de lithium, séparément et ensemble. Leur dernier succès n’est qu’une étape dans ce qu’ils espèrent être un menu diversifié d’appareils basés sur les deux matériaux.

“En réunissant ces deux plates-formes matérielles et en canalisant la lumière de l'une vers l'autre, nous montrons qu'au lieu de travailler avec un seul matériau, vous pouvez vraiment avoir le meilleur des deux mondes”, a déclaré Lee.

Ce travail a été soutenu par les centres nationaux de recherche en sciences de l’information quantique du Bureau des sciences du DOE dans le cadre du centre Q-NEXT. Il a également été soutenu par la National Science Foundation des États-Unis et la Fondation nationale suisse pour la science.