Des chercheurs de l’Université de Rochester et de l’Université Cornell ont franchi une étape importante dans le développement d’un réseau de communication qui échange des informations sur de longues distances en utilisant des photons, des mesures de lumière sans masse qui sont des éléments clés de l’informatique quantique et des systèmes de communication quantique.

L’équipe de recherche a conçu un nœud à l’échelle nanométrique composé de matériaux magnétiques et semi-conducteurs qui pourraient interagir avec d’autres nœuds, en utilisant la lumière laser pour émettre et accepter des photons.

Le développement d’un tel réseau quantique – conçu pour tirer parti des propriétés physiques de la lumière et de la matière caractérisées par la mécanique quantique – promet des moyens plus rapides et plus efficaces de communiquer, de calculer et de détecter des objets et des matériaux par rapport aux réseaux actuellement utilisés pour informatique et communications.

Décrit dans la revue Nature Communications, le nœud se compose d’un ensemble de piliers d’une hauteur de seulement 120 nanomètres. Les piliers font partie d’une plateforme contenant atomiquement couches minces de matériaux semi-conducteurs et magnétiques.

Le réseau est conçu de sorte que chaque pilier sert de marqueur d’emplacement pour un état quantique qui peut interagir avec les photons et les photons associés peuvent potentiellement interagir avec d’autres emplacements à travers le dispositif – et avec des réseaux similaires à d’autres emplacements. Ce potentiel de connexion de nœuds quantiques à travers un réseau distant capitalise sur le concept d’intrication, un phénomène de mécanique quantique qui, à son niveau très basique, décrit comment les propriétés des particules sont connectées au niveau subatomique.

«C’est le début d’avoir une sorte de registre, si vous le souhaitez, où différents emplacements spatiaux peuvent stocker des informations et interagir avec des photons», explique Nick Vamivakas, professeur d’optique quantique et de physique quantique à Rochester.

Vers la «  miniaturisation d’un ordinateur quantique  »

Le projet s’appuie sur les travaux menés par le laboratoire Vamivakas ces dernières années en utilisant du diséléniure de tungstène (WSe2) dans des hétérostructures dites de Van der Waals. Ce travail utilise des couches de matériaux atomiquement minces les unes sur les autres pour créer ou capturer des photons uniques.

Le nouveau dispositif utilise un nouvel alignement de WSe2 drapé sur les piliers avec une couche sous-jacente hautement réactive de triiodure de chrome (CrI3). Là où les couches de zone atomiquement minces de 12 microns se touchent, le CrI3 transmet une charge électrique au WSe2, créant un «trou» le long de chacun des piliers.

En physique quantique, un trou est caractérisé par l’absence d’électron. Chaque trou chargé positivement a également une propriété magnétique binaire nord / sud qui lui est associée, de sorte que chacun est également un nanomagnet

Lorsque le dispositif baigne dans la lumière laser, d’autres réactions se produisent, transformant les nanomagnets en réseaux de spin optiquement actifs individuels qui émettent et interagissent avec des photons. Alors que le traitement de l’information classique traite des bits qui ont des valeurs de 0 ou 1, les états de spin peuvent coder à la fois 0 et 1 en même temps, élargissant les possibilités de traitement de l’information.

« Être capable pour contrôler l’orientation du spin des trous à l’aide de CrI3 ultramince et de 12 microns de grande taille, remplace le besoin d’utiliser des champs magnétiques externes provenant de gigantesques bobines magnétiques similaires à celles utilisées dans les systèmes d’IRM », déclare l’auteur principal et étudiant diplômé Arunabh Mukherjee. manière de miniaturiser un ordinateur quantique basé sur des spins à un seul trou.  »

Encore à venir: Enchevêtrement à distance?

Deux défis majeurs se sont posés aux chercheurs lors de la création de l’appareil.

L’un était de créer un environnement inerte dans lequel travailler avec le CrI3 hautement réactif. C’est là qu’entre en jeu la collaboration avec l’Université Cornell. « Ils ont beaucoup d’expertise avec le triiodure de chrome et comme nous travaillions avec cela pour la première fois, nous nous sommes coordonnés avec eux sur cet aspect », dit Vamivakas. Par exemple, la fabrication du CrI3 a été réalisée dans des boîtes à gants remplies d’azote pour éviter la dégradation de l’oxygène et de l’humidité.

L’autre défi consistait à déterminer la bonne configuration des piliers pour s’assurer que les trous et les vallées de rotation associés à chaque pilier peuvent être correctement enregistrés pour éventuellement se lier à d’autres nœuds.

Et c’est là que réside le prochain défi majeur: trouver un moyen d’envoyer des photons sur de longues distances à travers une fibre optique vers d’autres nœuds, tout en préservant leurs propriétés d’intrication.

«Nous n’avons pas encore conçu l’appareil pour promouvoir ce type de comportement», déclare Vamivakas. « C’est sur la route. » Pour en savoir +: allez sur l’agence web Lille.