Plan directeur pour un avenir quantique robuste –

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  • Prétendre que quelque chose a un défaut suggère normalement une caractéristique indésirable. Ce n’est pas le cas dans les systèmes à semi-conducteurs, tels que les semi-conducteurs au cœur des appareils électroniques classiques modernes. Ils fonctionnent en raison de défauts introduits dans l’arrangement rigidement ordonné des atomes dans des matériaux cristallins comme le silicium. Étonnamment, dans le monde quantique, les défauts jouent également un rôle important.

    Des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE), de l’Université de Chicago et des instituts et universités scientifiques du Japon, de Corée et de Hongrie ont établi des lignes directrices qui constitueront une ressource inestimable pour la découverte de nouveaux systèmes quantiques basés sur les défauts. L’équipe internationale a publié ces lignes directrices dans Nature Reviews Matériaux.

    De tels systèmes ont des applications possibles dans les communications quantiques, la détection et l’informatique et pourraient ainsi avoir un effet transformateur sur la société. Les communications quantiques pourraient distribuer des informations quantiques de manière robuste et sécurisée sur de longues distances, rendant ainsi possible un Internet quantique. La détection quantique pourrait atteindre des sensibilités sans précédent pour les mesures présentant un intérêt biologique, astronomique, technologique et militaire. L’informatique quantique pourrait simuler de manière fiable le comportement de la matière jusqu’au niveau atomique et éventuellement simuler et découvrir de nouveaux médicaments.

    L’équipe a élaboré ses directives de conception sur la base d’un examen approfondi du vaste corpus de connaissances acquises au cours des dernières décennies sur les défauts de rotation dans les matériaux à l’état solide.

    «Les défauts qui nous intéressent ici sont des distorsions isolées dans la disposition ordonnée des atomes dans un cristal», a expliqué Joseph Heremans, scientifique à la division Argonne’s Center for Molecular Engineering and Materials Science, ainsi qu’à la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago. .

    De telles distorsions peuvent inclure des trous ou des lacunes créés par l’élimination d’atomes ou d’impuretés ajoutés en tant que dopants. Ces distorsions, à leur tour, peuvent piéger des électrons dans le cristal. Ces électrons ont une propriété appelée spin, qui agit comme un système quantique isolé.

    “Le spin étant une propriété quantique clé, les défauts de spin peuvent contenir des informations quantiques sous une forme que les physiciens appellent des bits quantiques, ou qubits, par analogie avec le peu d’information de l’informatique classique”, a ajouté Gary Wolfowicz, chercheur adjoint au Centre de génie moléculaire d’Argonne. et la division des sciences des matériaux, ainsi que la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago.

    Depuis plusieurs décennies, les scientifiques étudient ces défauts de spin pour créer une large gamme de dispositifs de validation de principe. Cependant, les recherches précédentes ne se sont concentrées que sur un ou deux qubits candidats principaux.

    «Notre domaine a eu un objectif quelque peu étroit pendant de nombreuses années», a déclaré Christopher Anderson, chercheur postdoctoral à la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago. “C’était comme si nous n’avions que quelques chevaux dans la course quantique. Mais maintenant nous comprenons qu’il y a beaucoup d’autres chevaux quantiques à soutenir, et exactement ce qu’il faut rechercher chez ces chevaux.”

    Les directives de l’équipe englobent les propriétés des défauts et du matériau sélectionné pour les héberger. Les principales propriétés du défaut sont le spin, l’optique (par exemple, comment la lumière interagit avec le spin des électrons piégés) et l’état de charge du défaut.

    Les matériaux à l’état solide possibles incluent non seulement quelques-uns déjà bien étudiés comme le silicium, le diamant et le carbure de silicium, mais d’autres entrées plus récentes comme divers oxydes. Tous ces matériaux présentent différents avantages et inconvénients décrits dans les directives. Par exemple, le diamant est clair et dur, mais cher. D’un autre côté, le silicium est facile à fabriquer avec des appareils à faible coût, mais il est plus affecté par les charges gratuites et la température.

    «Nos directives sont là pour les scientifiques et les ingénieurs quantiques pour évaluer l’interaction entre les propriétés du défaut et le matériau hôte sélectionné dans la conception de nouveaux qubits adaptés à une application spécifique», a noté Heremans.

    “Les défauts de spin ont un rôle central à jouer dans la création de nouveaux dispositifs quantiques, qu’il s’agisse de petits ordinateurs quantiques, de l’Internet quantique ou de capteurs quantiques à l’échelle nanométrique”, a poursuivi Anderson. “En tirant parti des connaissances approfondies sur les défauts de spin pour dériver ces directives, nous avons jeté les bases afin que la main-d’œuvre quantique – maintenant et dans le futur – puisse concevoir à partir de zéro le qubit parfait pour une utilisation spécifique.”

    «Nous sommes particulièrement fiers de nos directives, car les utilisateurs visés vont des scientifiques quantiques chevronnés aux chercheurs d’autres domaines et aux étudiants diplômés qui espèrent rejoindre la main-d’œuvre quantique», a déclaré Wolfowicz.

    Le travail jette également les bases de la conception de dispositifs quantiques à semi-conducteurs évolutifs et s’accorde bien avec Q-NEXT, un centre de recherche en sciences de l’information quantique financé par le DOE et dirigé par Argonne. L’objectif de Q-NEXT comprend l’établissement d’une “fonderie” quantique de semi-conducteurs pour développer des interconnexions et des capteurs quantiques.

    «Les directives de notre équipe serviront de plan directeur pour aider à diriger la mission Q-NEXT dans la conception de la prochaine génération de matériaux et dispositifs quantiques», a déclaré David Awschalom, scientifique principal à la division des sciences des matériaux d’Argonne, professeur de génie moléculaire à la famille Liew à l’université. de la Chicago Pritzker School of Molecular Engineering et directeur du Chicago Quantum Exchange et de Q-NEXT. “En ce qui concerne les technologies quantiques avec des spins, ce travail prépare le terrain et informe le domaine sur la manière d’aller de l’avant.”

    Cette recherche a été principalement soutenue par le DOE Office of Science.

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