Europium Unleashed : réécrire les règles du stockage quantique

Un composé révolutionnaire à base d’europium, Cs₂NaEuF₆pourrait révolutionner le stockage dans la mémoire quantique, indiquant une direction prometteuse pour l’informatique quantique recherche de matériaux.

Dans la quête du développement d’ordinateurs et de réseaux quantiques, de nombreux composants sont fondamentalement différents de ceux utilisés aujourd’hui. Comme un ordinateur moderne, chacun de ces composants a des contraintes différentes. Cependant, on ne sait pas encore quels matériaux peuvent être utilisés pour construire ces composants destinés à la transmission et au stockage de l’information quantique.

Découverte d’un nouveau matériau de mémoire quantique

Dans une nouvelle recherche publiée dans le Journal de l’American Chemical Society, Daniel Shoemaker, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université de l’Illinois Urbana Champaign, et Zachary Riedel, étudiant diplômé, ont utilisé les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) pour identifier d’éventuels composés d’europium (Eu) susceptibles de servir de nouvelle plate-forme de mémoire quantique. Ils ont également synthétisé l’un des composés prédits, un tout nouveau matériau stable à l’air qui constitue un candidat sérieux pour une utilisation dans la mémoire quantique, un système permettant de stocker les états quantiques de photons ou d’autres particules intriquées sans détruire les informations contenues dans cette particule.

« Le problème que nous essayons de résoudre ici est de trouver un matériau capable de stocker ces informations quantiques pendant une longue période. Une façon d’y parvenir consiste à utiliser des ions de métaux des terres rares », explique Shoemaker.

Éléments de terres rares dans l’information quantique

Situés tout en bas du tableau périodique, les éléments des terres rares, tels que l’europium, se sont révélés prometteurs pour une utilisation dans les dispositifs d’information quantique en raison de leurs structures atomiques uniques. Plus précisément, les ions de terres rares possèdent de nombreux électrons densément regroupés à proximité du noyau du atome. L’excitation de ces électrons, à partir de l’état de repos, peut « vivre » longtemps – des secondes, voire des heures, une éternité dans le monde de l’informatique. De tels états à longue durée de vie sont essentiels pour éviter la perte d’informations quantiques et positionner les ions de terres rares comme de bons candidats pour les qubits, les unités fondamentales de l’information quantique.

Défis et solutions en génie des matériaux quantiques

« Normalement, en ingénierie des matériaux, vous pouvez accéder à une base de données et trouver quel matériau connu devrait fonctionner pour une application particulière », explique Shoemaker. « Par exemple, les gens ont travaillé pendant plus de 200 ans pour trouver des matériaux légers et à haute résistance adaptés à différents véhicules. Mais dans le domaine de l’information quantique, nous n’y travaillons que depuis une ou deux décennies, donc la population de matériaux est en réalité très petite et vous vous retrouvez rapidement en territoire chimique inconnu.

Shoemaker et Riedel imposèrent quelques règles dans leur recherche de nouveaux matériaux possibles. Premièrement, ils voulaient utiliser la configuration ionique Eu³⁺ (contrairement à l’autre configuration possible, Eu²⁺) car il fonctionne à la bonne longueur d’onde optique. Pour être « écrit » optiquement, les matériaux doivent être transparents. Deuxièmement, ils voulaient un matériau composé d’autres éléments ne possédant qu’un seul isotope stable. Les éléments contenant plus d’un isotope produisent un mélange de différentes masses nucléaires qui vibrent à des fréquences légèrement différentes, brouillant les informations stockées. Troisièmement, ils souhaitaient une grande séparation entre les ions europium individuels afin de limiter les interactions involontaires. Sans séparation, les grands nuages ​​d’électrons de l’europium agiraient comme un couvert de feuilles dans une forêt, plutôt que comme des arbres bien espacés dans un quartier de banlieue, où le bruissement des feuilles d’un arbre interagirait doucement avec les feuilles d’un autre.

Innovations dans la synthèse des matériaux quantiques

Avec ces règles en place, Riedel a composé un examen informatique DFT pour prédire quels matériaux pourraient se former. Suite à cette sélection, Riedel a pu identifier de nouveaux composés candidats de l’UE et, en outre, il a pu synthétiser la principale suggestion de la liste, le double halogénure de pérovskite Cs.₂NaEuF₆. Ce nouveau composé est stable à l’air, ce qui signifie qu’il peut être intégré à d’autres composants, une propriété essentielle dans l’informatique quantique évolutive. Les calculs DFT ont également prédit plusieurs autres composés possibles qui n’ont pas encore été synthétisés.

« Nous avons montré qu’il reste encore beaucoup de matériaux inconnus à fabriquer qui sont de bons candidats pour le stockage d’informations quantiques », explique Shoemaker. « Et nous avons montré que nous pouvons les réaliser efficacement et prédire lesquels seront stables. »

Daniel Shoemaker est également affilié au Materials Research Laboratory (MRL) et au Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST) de l’UIUC.

Zachary Riedel est actuellement chercheur postdoctoral au Laboratoire national de Los Alamos.

Cette recherche a été soutenue par le Département américain de l’énergie, Office of Science, National Quantum Information Science Research Center Q-NEXT. La National Science Foundation, par l’intermédiaire du Centre de recherche et d’ingénierie sur les matériaux de l’Université de l’Illinois, a soutenu l’utilisation des installations et des instruments.