Les scientifiques du monde entier s'efforcent de rendre les technologies quantiques viables à grande échelle – une réalisation qui nécessite un moyen fiable de générer des qubits, ou des bits quantiques, qui sont les unités fondamentales d'information dans l'informatique quantique.
La tâche est jusqu'à présent restée insaisissable, mais l'un des matériaux qui a attiré beaucoup d'attention en tant que plate-forme de qubit possible est le nitrure de bore hexagonal (H-BN), un matériau 2D qui peut héberger des émetteurs à photon unique à l'état solide (SPE). Comme son nom l'indique, les SPE sont des structures atomiques dans des matériaux solides qui peuvent produire des photons individuels.
Dans une nouvelle étude publiée dans Avancées scientifiquesDes chercheurs de l'Université Rice et des collaborateurs du Oak Ridge National Laboratory et de l'Université de technologie, Sydney rapportent la première démonstration d'émetteurs quantiques à faible bruit et à température ambiante dans H-BN réalisés grâce à une technique de croissance évolutive.
Les chercheurs ont utilisé le dépôt laser pulsé (PLD) pour synthétiser les films H-BN, ajoutant délibérément des atomes de carbone pendant le processus de dépôt. Le carbone est tissé dans le réseau atomique de H-BN d'une manière qui génère des défauts ou des irrégularités. Ces défauts sont une caractéristique plutôt que comme un défaut, fonctionnant comme des SPE robustes et fiables.
« Notre travail démontre une méthode évolutive pour créer des SPE à haute performance dans H-BN, offrant une étape majeure vers des sources de lumière quantique pratiques », a déclaré Arka Chatterjee, chercheuse postdoctorale en laboratoire de l'ingénieur électricien Rice Shengxi Huang. « Cette percée ouvre la voie à l'intégration des émetteurs quantiques dans les systèmes d'information photonique et quantique du monde réel. »
L'équivalent du qubit dans l'informatique classique est le bit, une contraction du «chiffre binaire», ce qui signifie qu'il peut avoir l'une des deux valeurs, soit 1 ou 0. Le bit rend possible les technologies de l'informatique et de communication actuelles: dans les transistors et dans les puces de calculs, par exemple, la présence de la présence ou de l'absence. Des SPE fiables comme ceux développés dans cette étude sont essentiels pour coder et manipuler des qubits dans les plateformes de calcul quantique et de communication émergentes.
Pour bien fonctionner, les SPE doivent fonctionner de manière fiable et uniformément, à savoir ne produisant qu'un seul photon de même type à la fois – un ordre de grande envergure de structures communément appelées «défauts» ou «impuretés».
« Nous avons émis l'hypothèse que l'introduction du carbone pendant la croissance directe des films H-BN pourrait créer des centres de défaut capables d'émettre des photons uniques très purs à température ambiante », a déclaré Chatterjee, qui est un premier auteur de l'étude.
Pour tester cette hypothèse, l'équipe s'est tournée vers le laboratoire du scientifique des matériaux de riz Pulickel Ajayan, où le chercheur scientifique Abhijit biswas a utilisé PLD pour créer des films minces H-BN à l'échelle des centimètres à l'échelle des centimètres. La méthode offre plusieurs avantages, notamment les exigences à basse température de PLD et la capacité d'intégrer le dopage dans le cadre d'un processus de synthèse en une étape.
« Les tentatives antérieures pour créer des émetteurs H-BN stables ont été limitées par une synthèse à haute température ou des étapes de post-traitement qui ont compromis la pureté et la reproductibilité », a déclaré Huang, professeur agrégé de génie électrique et informatique et de science des matériaux et de nano-ingénieurs chez Rice. « Notre méthode surmonte ces barrières en intégrant le dopage et la synthèse en une seule étape évolutive. »
Une fois les films prêts, les chercheurs ont testé leurs propriétés en utilisant la spectroscopie de photoluminescence, les mesures de corrélation de photons et la modélisation théorique. Ces analyses ont révélé que les films H-BN dopés au carbone avaient « des SPE exceptionnellement purs et stables, indiquant une émission de photons mono-photons presque idéale », a déclaré Chatterjee.
« Les émetteurs présentent également une luminosité élevée, une forte polarisation et une photostabilité robuste pendant le fonctionnement continu », a-t-il déclaré, ajoutant que les calculs des premiers principes ont identifié les structures de défaut induites par le carbone comme l'origine de l'émission.
Les résultats pourraient permettre l'intégration des SPE dans les dispositifs et capteurs quantiques basés sur des puces, ce qui a finalement inauguré la transition tant attendue vers des technologies basées sur quantique pour la communication, le traitement de l'information et la détection.
« La combinaison de la pureté, de l'évolutivité et de la stabilité opérationnelle établit une nouvelle référence et résout des défis de longue date dans le domaine », a déclaré Huang.
