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Les défauts du chrome dans le carbure de silicium pourraient fournir une nouvelle plateforme pour l’information quantique.
Les ordinateurs quantiques pourraient être capables de résoudre des problèmes scientifiques impossibles à résoudre par les superordinateurs conventionnels les plus rapides d’aujourd’hui. Les capteurs quantiques pourraient être en mesure de mesurer des signaux qui ne peuvent être mesurés par les capteurs les plus sensibles actuels. Les bits quantiques (qubits) sont les éléments constitutifs de ces dispositifs. Les scientifiques étudient actuellement plusieurs systèmes quantiques pour l’informatique quantique et des applications de détection. L’un de ces systèmes, les qubits de spin, est basé sur le contrôle de l’orientation du spin d’un électron aux sites des défauts dans les matériaux semi-conducteurs qui constituent les qubits. Les défauts peuvent inclure de petites quantités de matériaux différents du matériau principal dont est constitué un semi-conducteur. Des chercheurs ont récemment démontré comment fabriquer des qubits de spin de haute qualité à partir de défauts de chrome dans le carbure de silicium.
Les atomes de chrome implantés dans le carbure de silicium servent de qubits de spin. Les atomes occupent deux sites dans le réseau, qui émettent de la lumière à différentes longueurs d’onde (en haut à droite). L’oscillation de l’émission de lumière par ces atomes est une propriété quantique (en bas à droite). Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’Université de Chicago.
L’impact
Les chercheurs explorent les défauts de chrome dans le carbure de silicium comme qubits de spin potentiels. L’un des avantages de ces qubits de spin est qu’ils émettent de la lumière à des longueurs d’onde compatibles avec les fibres optiques de télécommunications. Cela signifie qu’ils sont potentiellement utiles pour les réseaux quantiques qui utilisent des fibres optiques pour connecter les qubits. Malheureusement, des problèmes de qualité des matériaux ont limité la viabilité de ces qubits de spin. Des chercheurs ont récemment étudié de nouvelles façons de créer des défauts de chrome dans le carbure de silicium. Ils ont implanté des ions de chrome dans le carbure de silicium, puis l’ont chauffé à plus de 1600 degrés centigrades. Ils ont ainsi obtenu un matériau présentant des défauts de spin d’une qualité de qubit bien supérieure. Ce résultat pourrait conduire à des communications quantiques qui utilisent les technologies actuelles des semi-conducteurs et des fibres optiques.
Résumé
Un nombre croissant de tentatives de commercialisation d’ordinateurs et de capteurs quantiques ont investi massivement dans des types spécifiques de qubits. Cependant, les chercheurs doivent relever un certain nombre de défis pour réaliser des calculs, des communications et des capteurs quantiques pratiques. Ils doivent notamment mieux comprendre les limites fondamentales des différents types de qubits. Les qubits à spin sont particulièrement intéressants car le spin électronique peut stocker des informations pendant une longue période par rapport à de nombreux autres types de qubits. De plus, ces qubits peuvent fonctionner à température ambiante, et ils peuvent être contrôlés et lus à l’aide de l’optique. Les interfaces optiques seront importantes pour le développement de cette technologie car les photons peuvent transporter des informations quantiques sur de longues distances en utilisant les réseaux de fibres de télécommunications existants.
La recherche rapportée ici a montré que les ions de chrome implantés dans des substrats de carbure de silicium disponibles dans le commerce, et ensuite recuits à haute température, ont produit des défauts de spin uniques qui peuvent être utilisés pour des qubits de spin. La même méthode pourrait être utilisée pour créer des défauts de vanadium ou de molybdène, les chercheurs poursuivant leur recherche du qubit idéal.
Référence : “Coherent control and high-fidelity readout of chromium ions in commercial silicon carbide” par Berk Diler, Samuel J. Whiteley, Christopher P. Anderson, Gary Wolfowicz, Marie E. Wesson, Edward S. Bielejec, F. Joseph Heremans et David D. Awschalom, 29 janvier 2020, npj Quantum Information.
DOI : 10.1038/s41534-020-0247-7
Ce projet a été soutenu par le Department of Energy (DOE) Office of Science, Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering Division. Ce travail a été réalisé, en partie, au Center for Integrated Nanotechnologies, une installation d’utilisateur du DOE Office of Science.