Mémoire quantique : identification d’un matériau 2D capable de stocker des informations quantiques à température ambiante

Spins isolés sur le nitrure de bore hexagonal

Représentation artistique de spins isolés sur du nitrure de bore hexagonal sous un microscope optique. Crédit : Qiushi Gu

Des chercheurs ont identifié un matériau bidimensionnel qui pourrait être utilisé pour stocker des informations quantiques à température ambiante.

La mémoire quantique est un élément majeur à prendre en compte dans la construction d’un Internet quantique, où les informations quantiques sont stockées et envoyées en toute sécurité via des photons, ou particules de lumière.

“Il existe des défauts dans ce matériau qui peuvent émettre des photons uniques, ce qui signifie qu’il pourrait être utilisé dans des systèmes quantiques.” – Hannah Stern

Des chercheurs du Cavendish Laboratory de l’Université de Cambridge, en collaboration avec des collègues de l’UT Sydney en Australie, ont identifié un matériau bidimensionnel, le nitrure de bore hexagonal, qui peut émettre des photons uniques à partir de défauts à l’échelle atomique dans sa structure à température ambiante.

Les chercheurs ont découvert que la lumière émise par ces défauts isolés donne des informations sur une propriété quantique qui peut être utilisée pour stocker des informations quantiques, appelée spin, ce qui signifie que le matériau pourrait être utile pour des applications quantiques. Il est important de noter que le spin quantique est accessible par la lumière et à température ambiante.

Cette découverte pourrait éventuellement permettre la mise en place de réseaux quantiques évolutifs construits à partir de matériaux bidimensionnels pouvant fonctionner à température ambiante. Les résultats sont publiés dans le journal Nature Communications.

Les futurs réseaux de communication utiliseront des photons uniques pour envoyer des messages dans le monde entier, ce qui conduira à des technologies de communication mondiale plus sûres.

Les ordinateurs et les réseaux construits sur les principes de la mécanique quantique seraient à la fois beaucoup plus puissants et plus sûrs que les technologies actuelles. Cependant, pour que de tels réseaux soient possibles, les chercheurs doivent mettre au point des méthodes fiables pour générer des photons uniques et indiscernables comme porteurs d’informations dans les réseaux quantiques.

“Nous pouvons envoyer des informations d’un endroit à un autre en utilisant des photons, mais si nous voulons construire de véritables réseaux quantiques, nous devons envoyer des informations, les stocker et les envoyer ailleurs”, a déclaré le Dr Hannah Stern du Cavendish Laboratory de Cambridge, co-auteur principal de l’étude, avec Qiushi Gu et le Dr John Jarman. “Nous avons besoin de matériaux capables de conserver les informations quantiques pendant un certain temps à température ambiante, mais la plupart des plateformes matérielles actuelles dont nous disposons sont difficiles à fabriquer et ne fonctionnent bien qu’à basse température.”

Le nitrure de bore hexagonal est un matériau bidimensionnel qui est cultivé par dépôt chimique en phase vapeur dans de grands réacteurs. Il est bon marché et évolutif. Des efforts récents ont révélé la présence d’émetteurs de photons uniques et la présence d’un ensemble dense de spins optiquement accessibles, mais pas d’interfaces spin-photon isolées individuellement fonctionnant dans des conditions ambiantes.

“Habituellement, c’est un matériau assez ennuyeux qui est normalement utilisé comme isolant”, a déclaré Stern, qui est Junior Research Fellow au Trinity College. “Mais nous avons découvert qu’il existe des défauts dans ce matériau qui peuvent émettre des photons uniques, ce qui signifie qu’il pourrait être utilisé dans des systèmes quantiques. Si nous parvenons à le faire stocker des informations quantiques en spin, alors il s’agit d’une plateforme évolutive. “

Stern et ses collègues ont installé un échantillon de nitrure de bore hexagonal près d’une minuscule antenne en or et d’un aimant de force déterminée. En envoyant un laser sur l’échantillon à température ambiante, ils ont pu observer un grand nombre de réponses différentes dépendant du champ magnétique sur la lumière émise par le matériau.

Les chercheurs ont découvert que lorsqu’ils envoyaient le laser sur le matériau, ils étaient capables de manipuler le spin, ou le moment angulaire inhérent, des défauts, et d’utiliser les défauts comme un moyen de stocker des informations quantiques.

“En général, le signal est toujours le même dans ces systèmes, mais dans ce cas, le signal change en fonction du défaut particulier que nous étudions, et tous les défauts ne montrent pas un signal, donc il y a encore beaucoup à découvrir”, a déclaré le co-premier auteur Qiushi Gu. “Il y a beaucoup de variations à travers le matériau, comme une couverture drapée sur une surface en mouvement – vous voyez beaucoup d’ondulations, et elles sont toutes différentes.”

Le professeur Mete Atature, qui a supervisé les travaux, ajoute : “Maintenant que nous avons identifié des spins isolés optiquement accessibles à température ambiante dans ce matériau, les prochaines étapes consisteront à comprendre leur photophysique en détail et à explorer les régimes de fonctionnement pour des applications possibles, notamment le stockage d’informations et la détection quantique. Il y aura un flot de physique amusante à la suite de ce projet.travail.”

Référence : “Room-temperature optically detected magnetic resonance of single defects in hexagonal boron nitride” par Hannah L. Stern, Qiushi Gu, John Jarman, Simone Eizagirre Barker, Noah Mendelson, Dipankar Chugh, Sam Schott, Hoe H. Tan, Henning Sirringhaus, Igor Aharonovich et Mete Atatüre, 1 février 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28169-z

Cette recherche a été soutenue en partie par le Conseil européen de la recherche. Mete Atature est membre du St John’s College, Cambridge.

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