Le nanomatériau tubulaire de carbone est idéal pour faire tourner des bits quantiques

Les scientifiques rivalisent vigoureusement pour transformer les découvertes contre-intuitives sur le domaine quantique d’un siècle passé en technologies du futur. La pierre angulaire de ces technologies est le bit quantique, ou qubit. Plusieurs types différents sont en cours de développement, y compris ceux qui utilisent des défauts dans les structures symétriques du diamant et du silicium. Ils pourraient un jour transformer l’informatique, accélérer la découverte de médicaments, générer des réseaux inviolables et plus encore.

En collaboration avec des chercheurs de plusieurs universités, des scientifiques du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) ont découvert une méthode pour introduire des électrons en rotation sous forme de qubits dans un nanomatériau hôte. Les résultats de leurs tests ont révélé des temps de cohérence record – la propriété clé de tout qubit pratique, car elle définit le nombre d’opérations quantiques pouvant être effectuées pendant la durée de vie du qubit.

Les électrons ont une propriété analogue au spin d’une toupie, avec une différence essentielle. Lorsque les toupies tournent sur place, elles peuvent pivoter vers la droite ou vers la gauche. Les électrons peuvent se comporter comme s’ils tournaient dans les deux sens en même temps. Il s’agit d’une caractéristique quantique appelée superposition. Être dans deux états en même temps fait des électrons de bons candidats pour les qubits de spin. Les qubits de spin ont besoin d’un matériau approprié pour les héberger, les contrôler et les détecter, ainsi que pour lire les informations qu’ils contiennent. Dans cet esprit, l’équipe a choisi d’étudier un nanomatériau composé uniquement d’atomes de carbone, de forme tubulaire creuse et d’une épaisseur d’environ un nanomètre seulement, soit un milliardième de mètre, environ 100 000 fois plus mince que la largeur d’un cheveux humains.

“Ces nanotubes de carbone mesurent généralement quelques micromètres de long”, a déclaré Xuedan Ma. “Ils sont pour la plupart exempts de spins nucléaires fluctuants qui interféreraient avec le spin de l’électron et réduiraient son temps de cohérence.”

Ma est scientifique au Center for Nanoscale Materials (CNM) d’Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Elle est également titulaire de postes à la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago et au Northwestern-Argonne Institute of Science and Engineering de la Northwestern University.

Le problème auquel l’équipe a été confrontée est que les nanotubes de carbone par eux-mêmes ne peuvent pas maintenir un électron en rotation sur un site. Il se déplace autour du nanotube. D’anciens chercheurs ont inséré des électrodes à des nanomètres l’une de l’autre pour confiner un électron en rotation entre elles. Mais cet arrangement est volumineux, coûteux et difficile à développer.

L’équipe actuelle a conçu un moyen d’éliminer le besoin d’électrodes ou d’autres dispositifs à l’échelle nanométrique pour confiner l’électron. Au lieu de cela, ils modifient chimiquement la structure atomique d’un nanotube de carbone de manière à piéger un électron en rotation à un endroit.

« À notre grande satisfaction, notre méthode de modification chimique crée un qubit de spin incroyablement stable dans un nanotube de carbone », a déclaré le chimiste Jia-Shiang Chen. Chen est membre du CNM et chercheur postdoctoral au Center for Molecular Quantum Transduction de la Northwestern University.

Les résultats des tests de l’équipe ont révélé des temps de cohérence record par rapport à ceux des systèmes fabriqués par d’autres moyens – 10 microsecondes.

Compte tenu de leur petite taille, la plate-forme spin qubit de l’équipe peut être plus facilement intégrée dans des dispositifs quantiques et permet de nombreuses façons possibles de lire les informations quantiques. De plus, les tubes de carbone sont très flexibles et leurs vibrations peuvent être utilisées pour stocker des informations du qubit.

“Il y a un long chemin entre notre qubit de spin dans un nanotube de carbone et les technologies pratiques, mais c’est un grand pas en avant dans cette direction”, a déclaré Ma.