Une nouvelle plate-forme pour les dispositifs quantiques personnalisables —

Les progrès de la science quantique ont le potentiel de révolutionner notre façon de vivre. Les ordinateurs quantiques sont prometteurs pour résoudre des problèmes insolubles aujourd’hui, et nous pourrions un jour utiliser les réseaux quantiques comme autoroutes de l’information à l’épreuve des pirates.

La réalisation de ces technologies tournées vers l’avenir repose en grande partie sur le qubit, le composant fondamental des systèmes quantiques. Un défi majeur de la recherche sur les qubits est de les concevoir pour qu’ils soient personnalisables, adaptés pour fonctionner avec toutes sortes d’appareils de détection, de communication et de calcul.

Les scientifiques ont franchi une étape majeure dans le développement de qubits sur mesure. Dans un article publié dans le Journal of the American Chemical Society, l’équipe, qui comprend des chercheurs du MIT, de l’Université de Chicago et de l’Université de Columbia, démontre comment une famille moléculaire particulière de qubits peut être finement réglée sur un large spectre, comme transformer un cadran sensible sur une radio à large bande.

L’équipe décrit également les caractéristiques de conception sous-jacentes qui permettent un contrôle précis de ces bits quantiques.

“Il s’agit d’une nouvelle plate-forme pour la conception de qubits. Nous pouvons utiliser notre stratégie de conception prévisible, contrôlable et ajustable pour créer un nouveau système quantique”, a déclaré Danna Freedman, professeur de chimie au MIT et co-auteur de l’étude. “Nous avons démontré le large éventail de possibilités de réglage sur lequel ces principes de conception fonctionnent.”

Le travail est partiellement soutenu par Q-NEXT, un centre de recherche national sur les sciences de l’information quantique du département américain de l’énergie (DOE) dirigé par le laboratoire national d’Argonne.

Les travaux des chercheurs se concentrent sur un groupe spécifique de molécules : celles avec un atome de chrome central entouré de quatre molécules d’hydrocarbure pour former une structure pyramidale.

L’avantage du qubit moléculaire

Le qubit est l’équivalent quantique du bit informatique traditionnel. Physiquement, il peut prendre plusieurs formes, comme un atome spécialement préparé à l’intérieur d’un cristal ou un circuit électrique. Il peut également s’agir d’une molécule fabriquée en laboratoire.

L’un des avantages d’un qubit moléculaire est que, comme un minuscule gadget imprimé en 3D, il peut être conçu de bas en haut, ce qui donne au scientifique la liberté de régler le qubit pour différentes fonctions.

“Nous travaillons pour changer la structure atomique grâce à la chimie synthétique, puis nous apprenons comment ces changements modifient la physique du qubit”, a déclaré Leah Weiss, chercheuse postdoctorale à l’Université de Chicago et co-auteur de l’étude.

Les informations d’un qubit moléculaire sont stockées dans son spin, une propriété des matériaux au niveau atomique. Les scientifiques conçoivent le spin en ajustant – en ajustant – l’arrangement des électrons de la molécule, sa structure électronique. Les informations pénètrent dans le qubit sous forme de particules de lumière, ou de photons, et sont codées dans le spin du qubit. Les informations codées en spin sont ensuite à nouveau traduites en photons, pour être lues.

Différentes longueurs d’onde de photons conviennent mieux à différentes applications. Une longueur d’onde peut mieux fonctionner pour les applications de biodétection, une autre pour la communication quantique.

Le ligand est la chose

L’un des principaux cadrans de réglage du qubit moléculaire est l’intensité du champ du ligand, la force des liaisons reliant l’atome de métal central aux hydrocarbures environnants.

“Le ligand est fondamentalement tout. Nous pouvons contrôler intentionnellement la manière dont l’environnement du ligand influence le spin et contrôler rationnellement où finissent les photons émis”, a déclaré Dan Laorenza, étudiant diplômé du MIT et auteur principal de l’article.

Les chercheurs ont démontré qu’ils pouvaient exercer un réglage remarquablement fin sur ces liens. Non seulement cela, mais ils ont également montré que les intensités de champ des ligands sont ajustables sur un spectre relativement large, tandis que les simulations informatiques effectuées par des chercheurs de Columbia ont fourni un aperçu de la mécanique quantique sur le rôle des ligands dans le contrôle des propriétés électroniques de la molécule.

La lumière émise par leurs qubits de chrome s’étendait sur un impressionnant 100 nanomètres.

“Il s’agit d’une gamme de réglages sans précédent pour les qubits ciblant les applications de conception”, a déclaré Freedman.

“Juste en gardant l’ion métallique central le même, qui fait le travail acharné du traitement de l’information quantique, mais en ajustant l’environnement environnant à travers des ligands, vous pouvez jouer avec les propriétés”, a déclaré Sam Bayliss de l’Université de Glasgow, qui a co- est l’auteur de l’étude alors qu’il était chercheur postdoctoral à l’Université de Chicago. “C’est très difficile à faire avec d’autres systèmes, comme les systèmes à semi-conducteurs, où vous êtes essentiellement fixé sur tout ce que les propriétés élémentaires vous donnent.”

Un qubit à l’état solide est créé en extrayant un minuscule morceau de matière de la taille d’un atome d’un cristal, et la vacance qui en résulte est l’endroit où les informations quantiques sont stockées et traitées. Bien qu’ils aient leurs avantages, les qubits à l’état solide ne peuvent pas être réglés avec la même précision chimique, par exemple.

“Avec ceux-ci, effectivement, vous n’obtenez aucun réglage”, a déclaré Freedman. “Vous allez vraiment de zéro à 100 là-bas.”

Établir les règles de conception

Approcher la conception de la molécule en se concentrant sur sa structure électronique – les niveaux d’énergie de la molécule – plutôt que sur sa structure physique était la clé de la découverte de l’équipe.

“Jeter la structure physique par la fenêtre et se concentrer entièrement sur la structure électronique, ce qui peut être réalisé sur une gamme de plates-formes moléculaires, est vraiment le détail innovant clé”, a déclaré Freedman.

Les chercheurs précisent les critères de conception pour la construction de molécules similaires dans leur article, jetant les bases de la création de nouveaux qubits moléculaires accordables qui peuvent être conçus pour une application future.

“Ayant démontré la précision de nos méthodes de calcul sur ces qubits de chrome, nous pouvons désormais utiliser les mêmes méthodes pour simplifier le processus de dépistage”, a déclaré Arailym Kairalapova, l’un des chercheurs de Columbia qui a effectué les calculs.

“En réunissant les outils de la chimie et de la physique, il est possible de commencer à comprendre les règles de conception qui guideront l’amélioration continue de cette classe de qubits”, a déclaré Weiss.

On pourrait concevoir sur mesure des qubits qui se fixent à un système biologique et les utiliser pour la biodétection quantique. Ou les chercheurs pourraient concevoir un qubit pour qu’il soit soluble dans l’eau afin qu’il puisse détecter des signaux dans un environnement aqueux.

“L’un des aspects formidables de cette plate-forme est que, si la molécule n’émet pas à une certaine longueur d’onde, il nous est facile de retourner au laboratoire, de fabriquer un nouveau matériau à faible coût et de voir lequel nous donne la fonctionnalité appropriée que nous voulons », a déclaré Laorenza. “Nous pouvons le faire en quelques jours. Ce n’est pas quelque chose qui nécessite une fabrication intense et intense.”

L’équipe attribue également son succès aux innovations dans les études des interactions lumière-matière.

“Il y a quelques années, ce n’était qu’un rêve – faire d’un ensemble de systèmes moléculaires une nouvelle plate-forme pour la science de l’information quantique”, a déclaré Bayliss. “Voir où nous en sommes maintenant est vraiment excitant.”

L’équipe prévoit d’explorer différents environnements de ligands pour élargir la gamme d’émission de photons.

“C’est maintenant un point de départ qui, nous l’espérons, permettra à beaucoup plus de chimistes d’être invités dans cet espace, ouvrant le travail à un éventail beaucoup plus large de chimistes qui pourraient contribuer un peu à la science de l’information quantique”, a déclaré Laorenza.

Ce travail a été soutenu par les centres de recherche nationaux en sciences de l’information quantique du département américain de l’énergie.