Le chemin vers la réalisation de technologies quantiques pratiques commence par la compréhension de la physique fondamentale qui régit le comportement quantique et de la manière dont ces phénomènes peuvent être exploités dans des matériaux réels.
Dans le laboratoire d'Ania Jayich, titulaire de la chaire Bruker en sciences et ingénierie, de la chaire Elings en sciences quantiques et codirectrice de la National Science Foundation Quantum Foundry de l'UC Santa Barbara, ce matériau de choix est le diamant cultivé en laboratoire.
Travaillant à l'intersection de la science des matériaux et de la physique quantique, Jayich et son équipe explorent comment les défauts artificiels du diamant, connus sous le nom de qubits de spin, peuvent être utilisés pour la détection quantique. Parmi les chercheurs les plus remarquables du laboratoire, Lillian Hughes, qui a récemment obtenu son doctorat. et va bientôt commencer ses travaux postdoctoraux au California Institute of Technology, a réalisé une avancée majeure dans cet effort.
Dans une série de trois articles co-écrits avec Jayich, dont un publié dans Examen physique X (PRX) en avril et les deuxième et troisième en Nature en octobre — Hughes démontre, pour la première fois, comment non seulement des qubits individuels mais des ensembles bidimensionnels de nombreux défauts peuvent être disposés et intriqués dans le diamant.
Cette percée permet de réaliser un avantage quantique métrologique à l’état solide, marquant une étape importante vers la prochaine génération de technologies quantiques.
Des défauts bien conçus
« Nous pouvons créer une configuration de spins centraux à lacunes d'azote (NV) dans les diamants avec un contrôle sur leur densité et leur dimensionnalité, de telle sorte qu'ils soient densément emballés et confinés en profondeur dans une couche 2D », a déclaré Hughes. « Et parce que nous pouvons concevoir la manière dont les défauts sont orientés, nous pouvons les concevoir pour qu'ils présentent des interactions dipolaires non nulles. »
Cette réalisation a fait l'objet du PRX article, intitulé « Un ensemble de spins dipolaires bidimensionnels à forte interaction dans un diamant orienté (111). »
Le centre NV du diamant est constitué d'un atome d'azote, qui remplace un atome de carbone, et d'un atome de carbone adjacent manquant (la lacune).
« Le défaut du centre NV possède quelques propriétés, dont l'une est un degré de liberté appelé spin, un concept fondamentalement quantique. Dans le cas du centre NV, le spin a une durée de vie très longue », a déclaré Jayich.
« Ces états de spin à longue durée de vie rendent les centres NV utiles pour la détection quantique. Le spin se couple au champ magnétique que nous essayons de détecter. »
La possibilité d'utiliser le degré de liberté de spin comme capteur existe depuis l'invention de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) dans les années 1970, a expliqué Jayich, notant que l'IRM fonctionne en manipulant l'alignement et les états énergétiques des protons, puis en détectant les signaux qu'ils émettent lorsqu'ils reviennent à l'équilibre, créant ainsi une image d'une partie du corps interne.
« Les expériences de détection quantique précédentes menées dans un système à l'état solide utilisaient toutes des spins uniques ou des ensembles de spins sans interaction », a déclaré Jayich.
« Ce qui est nouveau ici, c'est que, parce que Lillian a pu développer et concevoir ces ensembles de spins denses en interaction très forte, nous pouvons réellement exploiter le comportement collectif, ce qui offre un avantage quantique supplémentaire, nous permettant d'utiliser le phénomène d'intrication quantique pour obtenir de meilleurs rapports signal/bruit, offrant une plus grande sensibilité et permettant une meilleure mesure. «
Le type de détection assistée par intrication que permettent les travaux de Hughes a déjà été démontré dans des systèmes atomiques en phase gazeuse.
« Idéalement, pour de nombreuses applications cibles, votre capteur devrait être facile à intégrer et à rapprocher du système étudié », a déclaré Jayich.
« Il est beaucoup plus facile de le faire avec un matériau solide, comme le diamant, qu'avec des capteurs atomiques en phase gazeuse sur lesquels, par exemple, le GPS est basé. De plus, les capteurs atomiques nécessitent un matériel auxiliaire important pour le confinement et le contrôle, comme des chambres à vide et de nombreux lasers, ce qui rend difficile le rapprochement d'un capteur atomique à l'échelle nanométrique d'une protéine, par exemple, interdisant l'imagerie à haute résolution spatiale. «
Dans le laboratoire Jayich, l'accent est mis sur l'utilisation de capteurs en diamant pour étudier les effets et phénomènes électroniques basés sur les matériaux. Mais, de manière analogue au placement d'un capteur à semi-conducteurs dans une cellule, Jayich a déclaré : « Vous pouvez placer des cibles matérielles à proximité d'une surface de diamant à l'échelle nanométrique, les rapprochant ainsi très près des centres NV souterrains. Il est donc très facile d'intégrer ce type de capteur quantique de diamant avec une variété de systèmes de cibles intéressants.
« Un capteur magnétique à semi-conducteurs de ce type pourrait être très utile pour sonder, par exemple, des systèmes biologiques », a déclaré Jayich.
« La résonance magnétique nucléaire (RMN) est basée sur la détection de très petits champs magnétiques provenant des atomes constitutifs, par exemple dans les systèmes biologiques. Une telle approche est également utile si vous souhaitez comprendre de nouveaux matériaux, qu'il s'agisse de matériaux électroniques, de matériaux supraconducteurs ou de matériaux magnétiques qui pourraient être utiles pour diverses applications. »
Presser pour faire taire le bruit
Toute mesure contient du bruit associé qui limite la mesure à un certain degré de précision. Une source fondamentale de bruit, appelée bruit de projection quantique, limite la précision des mesures à une valeur appelée limite quantique standard, valeur qui est classiquement réduite de la racine carrée de N, le nombre de capteurs quantiques utilisés dans la mesure.
Toutefois, si l’on parvient à concevoir une forme particulière d’interaction entre les capteurs, il devient possible de dépasser la limite quantique standard pour N capteurs non intriqués. Une façon intelligente d'y parvenir consiste à « comprimer » l'amplitude du bruit en induisant des corrélations entre les particules et en produisant un état de compression de spin.
« C'est comme si vous essayiez de mesurer quelque chose avec un mètre ayant des gradations espacées d'un centimètre ; ces gradations espacées d'un centimètre correspondent en fait à l'amplitude du bruit dans votre mesure. Vous n'utiliseriez pas un tel mètre pour mesurer la taille d'une amibe, qui est beaucoup plus petite qu'un centimètre », a déclaré Jayich.
« En pressant, en faisant taire le bruit, vous utilisez efficacement les interactions de la mécanique quantique pour » écraser « ce mètre, créant ainsi des gradations plus fines et vous permettant de mesurer des choses plus petites avec plus de précision. »
Le deuxième article décrit un autre type de gain métrologique qui peut être obtenu en utilisant le même système, dans ce cas, en amplifiant la force du signal sans augmenter le niveau de bruit pour effectuer une meilleure mesure. Dans l’exemple de l’amibe donné ci-dessus, l’amplification du signal a pour effet de rendre l’amibe plus grande, de sorte que le bâton de mesure avec sa gradation d’un centimètre peut désormais être utilisé pour la mesurer.
En termes d'éventuelles applications dans le monde réel, Jayich a déclaré : « Je ne pense pas que les défis techniques prévus empêcheront de démontrer un avantage quantique dans une expérience de détection utile dans un avenir proche. Il s'agit principalement de rendre l'amplification du signal plus forte ou d'augmenter la quantité de compression. Une façon d'y parvenir est de contrôler la position des spins dans le plan 2Dxy, formant un réseau régulier.
« Il y a ici un défi matériel, dans la mesure où, parce que nous ne pouvons pas dicter exactement où les rotations vont s'incorporer, elles s'incorporent de manière quelque peu aléatoire dans un plan », a ajouté Jayich.
« C'est quelque chose sur lequel nous travaillons actuellement, afin qu'à terme nous puissions avoir une grille de ces spins, chacun placé à une distance spécifique les uns des autres. Cela relèverait un défi exceptionnel pour réaliser un avantage quantique pratique en matière de détection. »
