Les scientifiques apportent une clarté cristalline aux signaux quantiques du diamant

On dit que la forêt peut manquer à cause des arbres. Mais il vaut souvent la peine de regarder les arbres de plus près pour donner un sens à l'ensemble dense et roncéreux. C’est ce qu’a fait un groupe de l’Université de Stanford pour s’attaquer à un problème épineux d’information quantique dans le diamant.

Matériau vedette pour l’hébergement d’informations quantiques, le diamant présente néanmoins un défi : les signaux provenant des bits d’informations quantiques intégrés dans le diamant sont souvent désordonnés et incohérents. Les scientifiques ont proposé des explications pour cette incohérence, mais ils avaient besoin d'un moyen d'examiner les éléments constitutifs du diamant pour identifier le coupable.

C'est exactement ce que le groupe de Stanford, dirigé par Jennifer Dionne, a fait, en utilisant un puissant microscope pour zoomer sur la composition atomique du diamant. Dans un article publié dans PNASl'équipe a démontré que l'intérieur varié du diamant expliquait en grande partie les signaux erratiques des bits quantiques intégrés à l'intérieur.

“Il n'existait aucun moyen efficace de corréler la structure du qubit – le bit quantique – avec le signal émis, mais les chercheurs observeraient une hétérogénéité considérable dans l'émission”, a déclaré Dionne, directeur adjoint de Q-NEXT et professeur de Stanford. la science des matériaux et, par courtoisie, la radiologie. “Nous avons résolu le problème en reliant la structure à l'échelle atomique aux propriétés quantiques.”

Poste vacant en silicium

Le groupe a travaillé avec un type de qubit appelé centre de vacance de silicium. Deux atomes de carbone sont retirés du diamant et remplacés par un atome de silicium. Parce qu’un atome en remplace deux, un espace se trouve de chaque côté de l’atome de silicium : un trou à moitié rempli.

Les centres de recherche en silicium sont prometteurs pour les capteurs quantiques, qui peuvent atteindre une précision plusieurs fois supérieure à celle des meilleurs outils actuels, ainsi que pour les réseaux de communication quantiques, qui sont, de par leur nature quantique, pratiquement à l'épreuve des écoutes clandestines.

Le groupe Dionne a testé des centres de lacunes en silicium dans des nanoparticules de diamant, de minuscules morceaux de diamant mesurant quelques centaines de nanomètres de diamètre. En règle générale, plusieurs postes vacants sont dispersés dans l’échantillon comme des trous dans une éponge.

Le signal provenant d’un centre de vacances prend la forme d’un photon, une particule de lumière. Dans un monde parfait, un poste vacant dans un diamant agit comme une usine à photons fiable, produisant de manière fiable le même type de photons à chaque fois qu'un diamant sort de la chaîne d'assemblage : même couleur, même luminosité.

“Nous voulons des photons indiscernables”, a déclaré Daniel Angell, premier auteur de l'article, qui a mené la recherche alors qu'il était étudiant diplômé à Stanford.

Mais les scientifiques voyaient une variété de couleurs et de luminosités de photons émis par leurs sources de diamants. Cela a amené le groupe Dionne à creuser plus profondément.

Les multiples facettes du diamant

Un diamant est une chose hétéroclite. Comme la plupart des cristaux, un diamant est composé de régions qui se touchent comme des briques Lego de forme irrégulière. Les régions – ou domaines – se différencient par leurs « grains » atomiques, comme le grain du bois. Un domaine avec des atomes alignés sur la diagonale peut en jouxter un autre avec une orientation d'avant en arrière.

L’équipe a utilisé un microscope électronique à transmission et à balayage pour examiner les domaines un par un, en mesurant l’émission de photons de chacun – une tâche ultra précise qui serait pratiquement impossible avec un outil moins puissant. Ils ont commencé à remarquer une tendance.

“Nous avons continué à observer ces diamants et avons finalement pu commencer à voir ces régions d'émission de photons vraiment intéressantes et très distinctes – le profil des photons différait d'une région à l'autre”, a déclaré Angell.

La conclusion était on ne peut plus claire : les domaines font la différence.

Le grain de chaque domaine façonne la lacune à l'intérieur, l'étirant ou la pressant. Tandis qu'un poste vacant dans un domaine peut être comblé dans un sens, et le poste vacant à côté peut être tendu différemment.

Le groupe a découvert que la manière dont la lacune est contrainte affecte les propriétés du photon émis, tout comme son emplacement dans la structure du grain.

Les scientifiques mesuraient les signaux flous ou incohérents du diamant parce qu'ils avaient traité l'échantillon comme une source unique, un émetteur de photons unique. Mais un échantillon de diamant comprend plusieurs domaines étroitement compactés, chacun abritant son propre émetteur de photons. Les chercheurs mesuraient le signal provenant de la forêt et non des arbres.

“La position du poste vacant au sein du Crystal est importante”, a déclaré Dionne. “Les différentes facettes cristallines du diamant et l'orientation particulière du cristal peuvent avoir un impact significatif à la fois sur la luminosité et sur la couleur de l'émission.”

Même des postes vacants très éloignés les uns des autres peuvent générer des émissions de photons sensiblement différentes.

“Nous avons constaté un saut parfaitement discret dans le signal d'émission lorsque deux postes vacants se trouvaient à seulement 5 nanomètres l'un de l'autre”, a déclaré Angell. “Voir cette ligne de séparation presque parfaite entre les émissions à l'échelle nanométrique – un changement clair dans les émissions – est quelque chose que je n'avais jamais vu auparavant. Ce sont des données vraiment convaincantes à examiner.”

Clarté cristalline

Angell a corrélé les différents types de déformation des grains à leurs profils photoniques respectifs, fournissant ainsi aux chercheurs une carte de déformation et d'émission à haute résolution pour mieux comprendre leurs propres découvertes.

Bien que la variété des grains ne soit pas le seul facteur contribuant aux signaux photoniques flous, le groupe Dionne a montré qu'elle joue un rôle important.

“Nous soulignons à quel point il est important de connaître exactement la structure granulaire sous-jacente des particules cristallines étudiées. Si vous collectez l'émission de la particule entière et que vous obtenez une émission floue, c'est probablement parce qu'il existe une sorte de limite de grain dans là, vous rassemblez différents postes vacants avec des signatures différentes, et vous ne le savez pas”, a déclaré Angell.

Leur travail a également une portée plus large, s’appliquant à d’autres membres de la famille des qubits des centres de postes vacants.

“La porte a été ouverte à un grand nombre d'études permettant une corrélation précise entre structure et fonction dans les systèmes quantiques et, à terme, une amélioration des communications quantiques, des réseaux quantiques et de la détection quantique”, a déclaré Dionne.