Le secret quantique de l'oxyde de calcium : des qubits presque silencieux

L'oxyde de calcium est un composé chimique crayeux bon marché couramment utilisé dans la fabrication du ciment, du plâtre, du papier et de l'acier. Mais ce matériau pourrait bientôt avoir une application plus high-tech.

Les chercheurs de l'école d'ingénierie moléculaire de l'UChicago Pritzker et leur collaborateur en Suède ont utilisé des approches théoriques et informatiques pour découvrir comment de minuscules atomes solitaires de bismuth intégrés dans de l'oxyde de calcium solide peuvent agir comme des qubits, les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques et des dispositifs de communication quantiques. Ces qubits sont décrits aujourd'hui dans Communications naturelles.

“Ce système a des propriétés encore meilleures que ce à quoi nous nous attendions”, a déclaré Giulia Galli, professeur de la famille Liew au Pritzker Molecular Engineering and Chemistry et auteur principal du nouveau travail. “Il a un niveau de bruit incroyablement faible, peut contenir des informations pendant une longue période et n'est pas fabriqué avec un matériau sophistiqué et coûteux.”

Un bit quantique, ou qubit, est l'unité d'information de base qui code les données en informatique quantique. Aujourd’hui, les chercheurs ont développé de nombreux types différents de qubits, souvent composés de minuscules défauts ponctuels au sein de matériaux semi-conducteurs.

Certaines des propriétés de ces défauts peuvent être utilisées pour stocker des informations. Cependant, de nombreux qubits existants sont incroyablement fragiles ; le « bruit » électronique ou magnétique dans leur environnement peut modifier leurs propriétés, effaçant toute information qui y était codée.

En 2022, une collaboration entre des scientifiques japonais et les groupes de David Awschalom et Galli a simulé les propriétés de plus de 12 000 matériaux pour découvrir de nouveaux solides potentiels pouvant contenir des défauts prometteurs agissant comme des qubits. Ces travaux ont révélé que l'oxyde de calcium était l'un des nombreux matériaux susceptibles de contenir des qubits codant des informations avec de très faibles niveaux de bruit pendant une période de temps particulièrement longue.

“Nos travaux antérieurs nous ont montré que si vous trouvez les bons défauts à intégrer dans sa structure, l'oxyde de calcium serait un support parfait pour stocker des informations quantiques”, a déclaré Nikita Onizhuk, chercheur postdoctoral au sein du groupe Galli et l'un des auteurs de l'étude. papier. “Notre nouvel objectif était donc de trouver le défaut idéal.”

Dans le nouvel article, Galli et ses collègues ont utilisé une série de méthodes informatiques établies au cours des dernières années pour examiner plus de 9 000 défauts différents dans l'oxyde de calcium afin de déterminer leur potentiel en tant que qubits. Les résultats ont mis en évidence un type de défaut dans lequel un atome d'antimoine, de bismuth ou d'iode est intégré dans la structure habituelle de calcium et d'oxygène qui constituent l'oxyde de calcium.

“Nous n'aurions jamais pu imaginer que ces défauts précis seraient aussi prometteurs”, a déclaré Joel Davidsson de l'Université de Linköping, premier auteur de l'article et principal développeur de l'approche à haut débit utilisée pour découvrir de nouveaux défauts de spin. “La seule façon d'y parvenir était de recourir à des procédures de sélection approfondies et impartiales.”

L'équipe de Galli a ensuite montré grâce à ses approches de modélisation que le défaut de bismuth au sein de l'oxyde de calcium peut théoriquement coder des données avec peu de bruit et pendant des périodes de temps relativement longues (plusieurs secondes par rapport aux millisecondes de cohérence montrées par de nombreux qubits). Il a également le potentiel de s'intégrer parfaitement aux appareils de télécommunications en raison de l'indice de réfraction du matériau et de sa capacité à émettre des photons de lumière.

Galli et ses collaborateurs travaillent désormais avec des groupes expérimentaux capables de construire des matériaux à base d'oxyde de calcium et de vérifier si les prédictions sont vraies.

“Nous n'en sommes qu'aux tout premiers stades, mais d'un point de vue scientifique fondamental, nous pensons que ce matériau est très prometteur”, a déclaré Galli.