Des scientifiques intègrent des qubits de spin à l’état solide à des résonateurs nanomécaniques

Dans un nouveau Lettres d’examen physique Dans une étude, des scientifiques proposent une nouvelle méthode permettant de combiner des qubits de spin à l’état solide avec des résonateurs nanomécaniques pour des systèmes quantiques évolutifs et programmables.

Le traitement de l’information quantique nécessite que les qubits aient des temps de cohérence longs, soient stables et soient évolutifs. Les qubits de spin à l’état solide sont les candidats recherchés pour ces applications car ils possèdent des temps de cohérence longs. Cependant, ils ne sont pas évolutifs.

Le PRL Une étude menée par Frankie Fung, un étudiant diplômé du groupe du professeur Mikhail Lukin à l’Université de Harvard, a abordé ce défi lors d’un entretien avec Phys.org.

« Bien que de petits registres quantiques utilisant des qubits de spin à l’état solide aient été démontrés, ils reposent sur des interactions dipolaires magnétiques, qui limitent la portée d’interaction à des dizaines de nanomètres », a-t-il déclaré. « La courte distance d’interaction et la difficulté de fabriquer des qubits de spin de manière cohérente à des espacements aussi rapprochés rendent difficile le contrôle de systèmes contenant de grands réseaux de qubits. »

Dans le PRL Dans cette étude, les chercheurs ont proposé une architecture qui médiatise l’interaction entre les qubits de spin à l’aide d’un résonateur nanomécanique, un oscillateur mécanique.

Les diamants comme qubits

L’approche de l’équipe s’appuyait sur des centres de lacunes d’azote dans les diamants agissant comme des qubits.

En règle générale, les structures de diamant sont constituées d’atomes de carbone dans une structure tétraédrique, ce qui signifie qu’ils sont liés à quatre autres atomes de carbone.

Cependant, en utilisant des méthodes telles que le dépôt chimique en phase vapeur, l’un des atomes de carbone peut être remplacé par un atome d’azote. Il en résulte un atome de carbone manquant adjacent à l’azote, créant ainsi une lacune.

L’atome d’azote adjacent à une lacune forme le centre NV, qui possède un électron non apparié avec des états de spin utilisés comme qubits.

Les centres NV offrent de nombreux avantages grâce à leurs propriétés optiques uniques. Ils ont des temps de cohérence longs, ce qui signifie que leur interaction avec l’environnement est faible, ce qui les rend très stables.

De plus, ils sont optiquement compatibles, ce qui signifie qu’il est facile d’entrer et de sortir des informations à l’aide de la lumière. Comme ils possèdent des électrons non appariés, ils sont également très sensibles aux champs magnétiques.

Ces propriétés les rendent idéales pour être utilisées comme qubits, notamment lors de leur intégration dans des dispositifs à semi-conducteurs.

Le problème vient de l’interaction à courte portée entre les qubits eux-mêmes. En effet, les qubits de spin à l’état solide interagissent entre eux via des interactions dipolaires magnétiques, qui sont à courte portée.

L’interaction entre les qubits est nécessaire pour créer des états intriqués, qui constituent la base du traitement de l’information quantique.

Les résonateurs mécaniques comme médiateurs

Pour traiter l’interaction à longue portée des qubits, les chercheurs proposent de coupler les centres NV des diamants avec des résonateurs mécaniques.

« Notre recherche vise à utiliser des résonateurs nanomécaniques pour assurer la médiation des interactions entre ces qubits de spin. Plus précisément, nous proposons une nouvelle architecture, dans laquelle les qubits de spin à l’intérieur des pointes de sonde de balayage individuelles peuvent être déplacés sur un résonateur nanomécanique qui assure la médiation des interactions spin-spin », a expliqué Fung.

Les résonateurs nanomécaniques sont de minuscules structures capables d’osciller à des fréquences élevées (généralement de l’ordre du nanomètre). Ils sont sensibles aux champs et aux forces externes.

En associant les qubits à un résonateur nanomécanique, les chercheurs créent un moyen d’interactions non locales entre les qubits. Cela pourrait permettre la création de processeurs quantiques à grande échelle, ce qui permettrait de remédier au problème d’évolutivité des systèmes quantiques à semi-conducteurs.

Affiner l’architecture

L’architecture de l’équipe de recherche consiste donc en un qubit de spin à l’intérieur de pointes de sonde de balayage individuelles, qui sont des dispositifs de balayage précis capables de recueillir des informations.

« Les pointes de la sonde de balayage peuvent être déplacées sur un résonateur mécanique qui assure les interactions spin-spin. Comme nous pouvons choisir les qubits à déplacer sur ce résonateur mécanique, nous pouvons créer une connectivité programmable entre les qubits de spin », a expliqué Fung.

Les qubits individuels sont des centres NV à l’intérieur d’un nanopilier de diamant. Cette structure permet au centre NV d’être proche d’un microaimant, qui crée le champ magnétique utilisé pour manipuler l’état de spin des électrons.

« Le fait que le nanopilier agisse comme un guide d’ondes qui réduit la puissance laser nécessaire pour exciter le centre NV est également un avantage », a ajouté Fang. Cela se produit parce que le nanopilier guide le laser vers l’endroit exact où il doit se rendre, le centre NV.

Le microaimant est situé sur une nanopoutre en nitrure de silicium, complétant le résonateur nanomécanique.

En théorie, le dispositif fonctionne comme suit. Le microaimant crée un champ magnétique autour du qubit et du résonateur. Ce champ magnétique modifie l’état de spin électronique du qubit.

Le changement d’état de spin provoque une interaction différente entre le qubit et le résonateur nanomécanique, le faisant osciller à une fréquence différente. Cette oscillation affecte d’autres qubits, affectant ainsi leur état de spin.

L’architecture permet des interactions qubit non locales.

Faisabilité d’architecture et systèmes quantiques hybrides

Pour montrer que leur architecture est réalisable, les chercheurs ont démontré la cohérence du qubit sur le transport mécanique du microaimant.

Fung a déclaré : « En guise de mesure de preuve de principe, nous avons stocké des informations cohérentes dans le centre NV, les avons déplacées dans un grand gradient de champ et avons montré que les informations étaient préservées par la suite. »

La cohérence a également été démontrée via le facteur de qualité, indiquant l’efficacité d’un système résonant.

Pour l’architecture, le facteur de qualité était d’environ un million à basse température, ce qui suggère que le résonateur à nanofaisceaux peut maintenir un mouvement mécanique hautement cohérent malgré sa fonctionnalisation avec un microaimant. Cependant, le facteur de qualité le plus élevé enregistré pour les résonateurs mécaniques est de 10 milliards.

« Bien que ce couplage ne soit pas encore suffisamment fort pour faire de cette architecture une réalité, nous pensons qu’il existe plusieurs améliorations réalistes qui pourraient nous y amener », a déclaré Fung.

Les chercheurs travaillent à l’introduction d’une cavité optique avec un résonateur nanomécanique.

Fung a expliqué : « La cavité nous permettrait non seulement de mesurer le mouvement mécanique avec plus de précision, mais aussi de préparer potentiellement le résonateur mécanique dans son état fondamental. Cela élargit considérablement les expériences que nous pouvons réaliser, comme le transfert d’un seul quanta d’information du spin à la mécanique et vice versa. »

Les chercheurs pensent également que les résonateurs nanomécaniques sont des intermédiaires idéaux entre différents qubits car ils peuvent interagir avec diverses forces, telles que la répulsion de Coulomb et la pression de rayonnement.

« Un système quantique hybride peut exploiter les avantages de différents types de qubits tout en atténuant leurs inconvénients. Comme ils peuvent être fabriqués sur puce, les résonateurs nanomécaniques peuvent être intégrés à d’autres composants, tels qu’un circuit électrique ou une cavité optique, ce qui ouvre des possibilités de connectivité à longue portée », conclut Fung.

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