Les technologies quantiques, les appareils qui fonctionnent en tirant parti des effets mécaniques quantiques, pourraient surpasser les technologies classiques dans certains domaines et paramètres. Le soi-disant spin (c'est-à-dire le moment angulaire intrinsèque) transporté par des particules quantiques est au cœur du fonctionnement des systèmes quantiques, car il peut stocker des informations quantiques.
Cependant, pour partager de manière fiable les informations quantiques sur un réseau, les tours doivent être liés aux photons (c'est-à-dire des particules de lumière). Depuis des décennies, les ingénieurs et les physiciens quantiques ont ainsi essayé de concevoir des approches pour interfacer des tours et des photons.
Une stratégie pour y parvenir consiste à utiliser des points quantiques, des structures semi-conductrices à l'échelle nanométrique qui peuvent piéger des électrons ou des trous dans des niveaux d'énergie distincts. Lorsqu'ils sont placés dans des résonateurs optiques soigneusement modifiés appelés microcavités, ces structures peuvent générer des photons individuels. Néanmoins, s'assurer que la cohérence des spins n'est pas perturbée par le bruit magnétique provenant des spins nucléaires à proximité et facilitant ainsi la préservation des informations quantiques au fil du temps s'est avérée difficile.
Des chercheurs de l'Université de Bâle et de Ruhr-Universität Bochum ont récemment introduit une nouvelle approche pour supprimer le bruit magnétique et permettre le contrôle optique rapide d'un rotation de trou cohérent dans une microcavité. Leur approche, introduite dans un article publié dans Physique de la natures'appuie sur une combinaison d'impulsions laser et une technique connue sous le nom de spin-spin nucléaire, qui supprime le bruit magnétique.
« Un point quantique peut être utilisé comme une source efficace de photons uniques », a respectivement déclaré Mark R. Hogg et Richard J. Warburton, premier auteur et auteur principal du journal. « Il existe plusieurs façons de procéder. Nous avons été les pionniers d'une technique – le point quantique réside dans une« microcavité ouverte »et l'efficacité de bout en bout est actuellement la plus élevée avec cette approche. Les photons uniques sont importants dans la communication quantique et l'informatique quantique photonique. Pourtant, les photons enchevêtrés sont meilleurs. »
Une façon de transformer une seule source de photons en une source de photons enchevêtrés est d'ajouter un électron ou un trou à un point quantique, puis de tirer parti de son rotation. Pour y parvenir, il faut d'abord réaliser l'enchevêtrement entre une rotation et un photon, puis faire tourner le rotation et répéter ce processus, atteignant finalement un enchevêtrement à photons spin-photon.
« Ce processus peut être répété pour créer des états dits de cluster », a déclaré Hogg et Warburton. « Pour mettre en œuvre cette idée, une étape cruciale consiste à ajouter le contrôle du spin à notre source de photons unique. C'est ce que nous avons décidé d'essayer. Nous ne savions pas si ce serait possible. Il semblait y avoir de graves problèmes.
« Le contrôle du spin est-il compatible avec la microcavité ouverte en concevant un dispositif avec une fréquence de résonance très spécifique? En outre, la cohérence de spin dans les points quantiques est gravement limitée par le bruit magnétique dans la matrice de semi-conducteurs. Serait-ce un spectacle? »
Alors que Hogg, Warburton et leurs collègues n'avaient pas encore eu de réponses claires à ces questions, ils ont de toute façon décidé d'effectuer leur expérience et ont constaté que leur configuration fonctionnait. Premièrement, ils ont piégé un seul trou dans un point quantique reposant sur un phénomène connu sous le nom de blocage Coulomb, qui garantit qu'un état de charge est verrouillé à chaque tension de biais.
« Dans la pratique, tout ce que nous avons à faire est de choisir le bon parti pris », a expliqué Hogg et Warburton. « La deuxième étape consiste à initialiser le spin dans l'un de ses états de base,« up »ou« vers le bas ». Nous le faisons avec une ancienne technique en physique atomique appelée «pompage optique». Le rotation pointe maintenant soit vers le pôle Nord, soit le pôle Sud dans la sphère Bloch.
Pour provoquer une transition dite Raman, les chercheurs ont utilisé deux lasers avec une différence de fréquence qui correspondait au fractionnement du spin (c'est-à-dire la fréquence Zeeman). Cela a permis à leur système de créer un « pont » d'un état de spin à un autre.
De plus, les lasers ont été accordés à une fréquence légèrement inférieure à la résonance du système, une stratégie connue sous le nom de Détoignage rouge. Cette approche, qui est bien établie, garantit que les lasers n'excitent pas directement le système, mais plutôt, ils stimulent le soi-disant processus Raman.
« Cependant, il n'était pas clair au début si ce processus fonctionnerait dans notre cas », a déclaré Hogg et Warburton. « Le point quantique réside dans une cavité optique à bande étroite pour s'assurer que les photons à points quantiques vont où nous voulons qu'ils: dans la cavité de l'endroit où ils s'échappent et se dirigent vers notre détecteur. Les lasers Raman sont loin en fréquence de cette résonance. Mais il s'avère que tout fonctionne bien, encore, encore en fréquence avec une échelle différente avec le changement de fréquence des lasers Raman. »
Lorsque les chercheurs ont tourné le rotation autour de la sphère Bloch, ils ont constaté que le bruit magnétique résultant des spins nucléaires dans leur système était considérablement diminué. Bien qu'il existe d'autres stratégies connues pour y parvenir dans des systèmes avec un spin d'électrons, jusqu'à présent, il n'est pas clair si elle pourrait également être réalisée lors de l'utilisation d'une rotation de trou.
« Nous avons découvert que cette« ingénierie de l'environnement »fonctionne très bien pour une rotation de trou», a déclaré Hogg et Warburton. « Notre étude a deux réalisations principales: premièrement, nous ajoutons le contrôle du spin à une source de photons unique à la pointe de la technologie. Deuxièmement, nous étendons la cohérence du spin en préparant l'environnement dans un état à faible bruit. »
Ces travaux récents pourraient bientôt ouvrir de nouvelles possibilités pour la réalisation des états quantiques en grappe avec une efficacité élevée et une forte fidélité à enchevêtrement. De plus, les méthodes qu'ils ont utilisées pourraient être utilisées par d'autres équipes de recherche pour obtenir le contrôle optique rapide des tours de trous individuels, par opposition aux tours d'électrons, permettant ainsi l'utilisation de ces tours pour stocker des informations quantiques.
« Les questions physiques auxquelles nous prévoyons de répondre maintenant incluent: comment le trou tournait exactement dans le point quantique réduit le bruit dans les tours nucléaires? Et jusqu'où pouvons-nous aller avec cette approche? » Ajout de Hogg et Warburton.
« De plus, nous prévoyons d'utiliser tout ce que nous avons réalisé jusqu'à présent – une collection efficace des photons, un contrôle du spin, une cohérence de spin améliorée – pour créer des photons enchevêtrés, c'est-à-dire des états de cluster.
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
