Une équipe de recherche a réussi à affiner l'oscillation Rabi des polaritons, les particules composites quantiques, en tirant parti des changements dans les propriétés électriques induites par la transformation de la structure cristalline. Publié dans Science avancéecette étude démontre que les propriétés des particules quantiques peuvent être contrôlées sans avoir besoin de dispositifs externes complexes, ce qui devrait améliorer considérablement la faisabilité de la technologie quantique pratique. L'équipe était dirigée par le professeur Chang-Hee Cho du Département de physique et de chimie de DGIST.
La technologie quantique permet le traitement de l'information beaucoup plus rapide et plus précis que les appareils électroniques conventionnels et attire l'attention en tant que moteur clé des industries futures, y compris l'informatique quantique, les communications et les capteurs. Au cœur de cette technologie se trouve la capacité de générer et de contrôler avec précision les états quantiques. En particulier, des recherches récentes ont activement exploré les dispositifs quantiques basés sur la lumière, avec des polaritons au centre de ce domaine.
Les polaritons sont des quasiparticules composites formés par l'hybridation des photons et des excitons – des états libres résultant du mouvement des électrons. Ces quasiparticules se déplacent à la vitesse de la lumière tout en conservant la capacité d'interagir avec d'autres particules, un peu comme les électrons.
Notamment, l'oscillation Rabi des polaritons est directement liée au fonctionnement du traitement de l'information quantique, et la capacité de contrôler cette oscillation avec précision est essentiellement pour réaliser des dispositifs quantiques. Cependant, le contrôle librement de la fréquence d'oscillation Rabi est resté un défi jusqu'à présent.
Pour surmonter cette limitation, l'équipe de recherche DGIST s'est concentrée sur un matériel de semi-conducteur spécial appelé Perovskite (MAPBBR3). Tout comme l'eau transforme son état en glace ou en vapeur en fonction de la température, ce matériau dispose d'une propriété de transition de phase, ce qui signifie que sa structure cristalline peut se transformer en réponse aux conditions externes.
En particulier, dans certaines phases structurelles, il présente une polarisation spontanée sans champ électrique externe – un phénomène appelé ferroélectricité. Ce comportement électrique unique peut modifier les propriétés des excitons, ce qui, à son tour, influence les caractéristiques quantiques des polaritons.
L'équipe de recherche a conçu une structure de microcavité utilisant la pérovskite et a démontré expérimentalement que les changements structurels induits par la transition de phase influencent l'oscillation des polaritons (oscillation de rabi). Les résultats ont montré que le contrôle de la phase cristalline a permis de régler la fréquence des oscillations de polariton jusqu'à 20%, tandis que la force de l'oscillateur, représentant l'intensité de couplage entre la lumière et la matière, variait jusqu'à 44%. Notamment, l'équipe a identifié la ferroélectricité, observée dans la structure cristalline asymétrique, comme le facteur clé à l'origine de ces changements.
La technologie de contrôle basée sur la ferroélectrique développée dans cette étude présente une nouvelle approche pour améliorer à la fois la flexibilité et la précision de la conception de l'appareil quantique à l'aide de polaritons. En particulier, il peut servir de facteur clé dans l'amélioration de la vitesse de fonctionnement et de la stabilité de diverses applications d'informations quantiques, notamment l'informatique quantique, la communication quantique, les puces AI photoniques et les capteurs ultraft.
De plus, comme le contrôle est obtenu simplement en réglant la phase cristalline, cette approche a un fort potentiel pour réaliser des dispositifs quantiques pratiques et rentables qui peuvent fonctionner à température ambiante.
Le professeur Cho a déclaré: « Cette étude va au-delà de la simple génération de polaritons; il démontre que leur intensité et leurs propriétés peuvent être contrôlées par la ferroélectricité, une approche pratique. Alors que les technologies de contrôle pour les appareils quantiques continuent de progresser, la mise en œuvre pratique de diverses technologies quantiques, telles que les ordinateurs quantiques et les systèmes de communication, pouvait être accélérée. »
Cette étude a été dirigée par Hyeon-Seo Choi, un doctorat. candidat au Département de physique et de chimie de DGIST, en tant que premier auteur.
