Création d’une symétrie dynamique dans les cristaux de diamant pour améliorer les qubits pour l’informatique quantique

Configuration de l’instrumentation dans le Quantum Engineering Group du MIT pour étudier les symétries dynamiques avec les qubits dans les cristaux de diamant. Crédit : Guoqing Wang/MIT

AVEC les chercheurs développent une nouvelle façon de contrôler et de mesurer les niveaux d’énergie dans un cristal de diamant ; pourrait améliorer les qubits dans les ordinateurs quantiques.

Les physiciens et les ingénieurs s’intéressent depuis longtemps à la création de nouvelles formes de matière, celles que l’on ne trouve généralement pas dans la nature. De tels matériaux pourraient un jour être utilisés dans, par exemple, de nouvelles puces informatiques. Au-delà des applications, ils révèlent également des informations insaisissables sur le fonctionnement fondamental de l’univers. Des travaux récents au MIT ont à la fois créé et caractérisé de nouveaux systèmes quantiques démontrant une symétrie dynamique – des types particuliers de comportement qui se répètent périodiquement, comme une forme pliée et réfléchie dans le temps.

“Il y a deux problèmes que nous devions résoudre”, déclare Changhao Li, étudiante diplômée du laboratoire de Paola Cappellaro, professeur de sciences et d’ingénierie nucléaires. Li a publié le travail récemment dans Lettres d’examen physique, avec Cappellaro et son collègue étudiant diplômé Guoqing Wang. « Le premier problème était que nous devions concevoir un tel système. Et deuxièmement, comment le caractériser ? Comment observe-t-on cette symétrie ?

Concrètement, le système quantique consistait en un cristal de diamant d’environ un millimètre de diamètre. Le cristal contient de nombreuses imperfections causées par un azote atome à côté d’un espace dans le réseau – un soi-disant centre de vacance d’azote. Tout comme un électron, chaque centre possède une propriété quantique appelée spin, avec deux niveaux d’énergie discrets. Parce que le système est un système quantique, les spins peuvent être trouvés non seulement dans l’un des niveaux, mais aussi dans une combinaison des deux niveaux d’énergie, comme le chat théorique de Schrödinger, qui peut être à la fois vivant et mort.

Les symétries dynamiques, qui jouent un rôle essentiel en physique, sont conçues et caractérisées par une boîte à outils de traitement de l’information quantique de pointe. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

Le niveau d’énergie du système est défini par son hamiltonien, dont les chercheurs ont conçu la dépendance temporelle périodique via le contrôle des micro-ondes. Le système était dit avoir une symétrie dynamique si son hamiltonien était le même non seulement après chaque période de temps t mais aussi après, par exemple, chaque t/2 ou t/3, comme plier un morceau de papier en deux ou en trois de sorte que aucune partie ne dépasse. Georg Engelhardt, post-doctorant au Beijing Computational Science Research, qui n’était pas impliqué dans ce travail mais dont le propre travail théorique a servi de base, compare la symétrie aux harmoniques de la guitare, dans lesquelles une corde peut vibrer à la fois à 100 hertz et à 50 Hz.

Pour induire et observer une telle symétrie dynamique, l’équipe du MIT a d’abord initialisé le système à l’aide d’une impulsion laser. Ensuite, ils ont dirigé vers lui diverses fréquences sélectionnées de rayonnement micro-ondes et l’ont laissé évoluer, lui permettant d’absorber et d’émettre l’énergie. “Ce qui est étonnant, c’est que lorsque vous ajoutez une telle conduite, cela peut présenter des phénomènes très fantaisistes”, a déclaré Li. “Il y aura des secousses périodiques.” Enfin, ils lui ont lancé une autre impulsion laser et mesuré la lumière visible qu’il émettait de la fluorescence, afin de mesurer son état. La mesure n’était qu’un instantané, ils ont donc répété l’expérience plusieurs fois pour reconstituer une sorte de flip book qui caractérisait son comportement dans le temps.

“Ce qui est très impressionnant, c’est qu’ils peuvent montrer qu’ils ont ce contrôle incroyable sur le système quantique”, déclare Engelhardt. “Il est assez facile de résoudre l’équation, mais le réaliser dans une expérience est assez difficile.”

De manière critique, les chercheurs ont observé que la symétrie dynamique de l’hamiltonien – les harmoniques du niveau d’énergie du système – dictait quelles transitions pouvaient se produire entre un état et un autre. “Et la nouveauté de ce travail”, dit Wang, “est également que nous introduisons un outil qui peut être utilisé pour caractériser n’importe quelle plate-forme d’information quantique, pas seulement les centres de lacunes d’azote dans les diamants. C’est largement applicable. Li note que leur technique est plus simple que les méthodes précédentes, celles qui nécessitent des impulsions laser constantes pour piloter et mesurer le mouvement périodique du système.

Une application d’ingénierie concerne les ordinateurs quantiques, des systèmes qui manipulent des qubits, des bits qui peuvent être non seulement 0 ou 1, mais une combinaison de 0 et 1. La rotation d’un diamant peut coder un qubit dans ses deux niveaux d’énergie.

Les qubits sont délicats : ils se décomposent facilement en un simple bit, un 1 ou un 0. Ou le qubit peut devenir la mauvaise combinaison de 0 et 1. « Ces outils pour mesurer les symétries dynamiques », explique Engelhardt, « peuvent être utilisés comme vérifiez que votre expérience est réglée correctement – et avec une très grande précision. » Il note le problème des perturbations extérieures dans les ordinateurs quantiques, qu’il compare à une guitare désaccordée. En ajustant la tension des cordes – en ajustant le rayonnement micro-ondes – de telle sorte que les harmoniques correspondent à certaines exigences de symétrie théoriques, on peut être sûr que l’expérience est parfaitement calibrée.

L’équipe du MIT a déjà en vue des extensions de ce travail. « La prochaine étape consiste à appliquer notre méthode à des systèmes plus complexes et à étudier une physique plus intéressante », explique Li. Ils visent plus de deux niveaux d’énergie – trois, ou 10, ou plus. Avec plus de niveaux d’énergie, ils peuvent représenter plus de qubits. « Quand vous avez plus de qubits, vous avez des symétries plus complexes », explique Li. « Et vous pouvez les caractériser en utilisant notre méthode ici. »

Référence : « Observation of Symetry-Protected Selection Rules in Periodically Driven Quantum Systems » par Guoqing Wang, Changhao Li et Paola Cappellaro, 29 septembre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.140604

Cette recherche a été financée, en partie, par la National Science Foundation.