Le « souffle » entre les atomes – un nouveau bloc de construction pour la technologie quantique


Des chercheurs de l’Université de Washington ont découvert qu’ils pouvaient détecter la « respiration » atomique ou la vibration mécanique entre deux couches d’atomes, en observant le type de lumière émise par ces atomes lorsqu’ils sont stimulés par un laser. Le son de ce « souffle » atomique pourrait aider les chercheurs à encoder et à transmettre des informations quantiques.

Les chercheurs ont également développé un dispositif qui pourrait servir de nouveau type de bloc de construction pour les technologies quantiques, qui devraient largement avoir de nombreuses applications futures dans des domaines tels que l’informatique, les communications et le développement de capteurs.

Les chercheurs ont publié ces résultats le 1er juin dans Nanotechnologie de la nature.

« Il s’agit d’une nouvelle plate-forme à l’échelle atomique, utilisant ce que la communauté scientifique appelle » l’optomécanique « , dans laquelle les mouvements légers et mécaniques sont intrinsèquement couplés », a déclaré l’auteur principal Mo Li, professeur à l’UW de génie électrique et informatique et de physique. . « Il fournit un nouveau type d’effet quantique impliqué qui peut être utilisé pour contrôler des photons uniques traversant des circuits optiques intégrés pour de nombreuses applications. »

Auparavant, l’équipe avait étudié une quasi-particule de niveau quantique appelée « exciton ». L’information peut être codée dans un exciton puis libérée sous la forme d’un photon, une minuscule particule d’énergie considérée comme l’unité quantique de la lumière. Les propriétés quantiques de chaque photon émis – telles que la polarisation, la longueur d’onde et/ou le moment d’émission du photon – peuvent fonctionner comme un bit d’information quantique, ou « qubit », pour l’informatique et la communication quantiques. Et parce que ce qubit est porté par un photon, il se déplace à la vitesse de la lumière.

« La vue d’ensemble de cette recherche est que pour avoir un réseau quantique, nous devons avoir des moyens de créer, d’exploiter, de stocker et de transmettre de manière fiable des qubits », a déclaré l’auteur principal Adina Ripin, doctorante en physique à l’UW. « Les photons sont un choix naturel pour transmettre cette information quantique car les fibres optiques nous permettent de transporter des photons sur de longues distances à des vitesses élevées, avec de faibles pertes d’énergie ou d’informations. »

Les chercheurs travaillaient avec des excitons afin de créer un émetteur de photons unique, ou « émetteur quantique », qui est un composant essentiel des technologies quantiques basées sur la lumière et l’optique. Pour ce faire, l’équipe a placé deux fines couches d’atomes de tungstène et de sélénium, appelées diséléniure de tungstène, l’une sur l’autre.

Lorsque les chercheurs ont appliqué une impulsion précise de lumière laser, ils ont chassé l’électron d’un atome de diséléniure de tungstène du noyau, ce qui a généré une quasi-particule d’exciton. Chaque exciton consistait en un électron chargé négativement sur une couche du diséléniure de tungstène et un trou chargé positivement où l’électron se trouvait sur l’autre couche. Et parce que les charges opposées s’attirent, l’électron et le trou de chaque exciton étaient étroitement liés l’un à l’autre. Après un court instant, alors que l’électron retombait dans le trou qu’il occupait auparavant, l’exciton a émis un seul photon codé avec des informations quantiques, produisant l’émetteur quantique que l’équipe cherchait à créer.

Mais l’équipe a découvert que les atomes de diséléniure de tungstène émettaient un autre type de quasi-particule, connu sous le nom de phonon. Les phonons sont un produit de la vibration atomique, qui est similaire à la respiration. Ici, les deux couches atomiques du diséléniure de tungstène agissaient comme de minuscules peaux de tambour vibrant l’une par rapport à l’autre, ce qui générait des phonons. C’est la première fois que des phonons sont observés dans un seul émetteur de photons dans ce type de système atomique bidimensionnel.

Lorsque les chercheurs ont mesuré le spectre de la lumière émise, ils ont remarqué plusieurs pics équidistants. Chaque photon émis par un exciton était couplé à un ou plusieurs phonons. Cela revient un peu à gravir une échelle d’énergie quantique un échelon à la fois, et sur le spectre, ces pics d’énergie étaient représentés visuellement par des pics équidistants.

« Un phonon est la vibration quantique naturelle du matériau diséléniure de tungstène, et il a pour effet d’étirer verticalement la paire électron-trou d’exciton située dans les deux couches », a déclaré Li, qui est également membre du comité directeur du QuantumX de l’UW, et est membre du corps professoral de l’Institute for Nano-Engineered Systems. « Cela a un effet remarquablement fort sur les propriétés optiques du photon émis par l’exciton qui n’a jamais été signalé auparavant. »

Les chercheurs étaient curieux de savoir s’ils pouvaient exploiter les phonons pour la technologie quantique. Ils ont appliqué une tension électrique et ont vu qu’ils pouvaient faire varier l’énergie d’interaction des phonons associés et des photons émis. Ces variations étaient mesurables et contrôlables de manière pertinente pour coder l’information quantique en une seule émission de photons. Et tout cela a été accompli dans un système intégré — un appareil qui n’impliquait qu’un petit nombre d’atomes.

Ensuite, l’équipe prévoit de construire un guide d’ondes – des fibres sur une puce qui captent les émissions de photons uniques et les dirigent là où elles doivent aller – puis d’étendre le système. Au lieu de contrôler un seul émetteur quantique à la fois, l’équipe souhaite pouvoir contrôler plusieurs émetteurs et leurs états de phonons associés. Cela permettra aux émetteurs quantiques de « parler » entre eux, une étape vers la construction d’une base solide pour les circuits quantiques.

« Notre objectif primordial est de créer un système intégré avec des émetteurs quantiques qui peuvent utiliser des photons uniques traversant des circuits optiques et les phonons nouvellement découverts pour faire de l’informatique quantique et de la détection quantique », a déclaré Li. « Cette avancée contribuera certainement à cet effort, et elle aide à développer davantage l’informatique quantique qui, à l’avenir, aura de nombreuses applications. »

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