Des chercheurs de l’université de Washington ont détecté une « respiration » atomique, ou vibration mécanique entre les couches d’atomes, qui pourrait contribuer au codage et à la transmission d’informations quantiques. Ils ont également créé un dispositif intégré qui manipule ces vibrations atomiques et les émissions de lumière, faisant ainsi progresser le développement de la technologie quantique.
Des scientifiques de l’université de Washington ont trouvé un moyen de détecter la « respiration » atomique, l’oscillation mécanique entre deux couches atomiques, en observant la lumière spécifique que ces atomes émettent lorsqu’ils sont excités par un laser. Le son de cette « respiration » atomique pourrait aider les chercheurs à coder et à transmettre des données quantiques.
Les chercheurs ont également mis au point un dispositif qui pourrait servir de nouveau type d’élément constitutif pour les technologies quantiques, dont on attend de nombreuses applications futures dans des domaines tels que l’informatique, les communications et le développement de capteurs.
Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue Nature Nanotechnology.
Il s’agit d’une nouvelle plateforme à l’échelle atomique, utilisant ce que la communauté scientifique appelle l' »optomécanique », dans laquelle la lumière et les mouvements mécaniques sont intrinsèquement couplés », a déclaré l’auteur principal, Mo Li, professeur de génie électrique et informatique et de physique à l’Université du Wisconsin (UW). « Il s’agit d’un nouveau type d’effet quantique impliqué qui peut être utilisé pour contrôler des photons uniques circulant dans des circuits optiques intégrés pour de nombreuses applications.
Adina Ripin. Crédit : Université de Washington
Auparavant, l’équipe avait étudié une quasiparticule 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 quantique d’information, ou « qubit », pour l’informatique et la communication quantiques. Et comme ce qubit est transporté par un photon, il voyage à la vitesse de la lumière.
« La vue d’ensemble de cette recherche est que pour avoir un réseau quantique réalisable, nous devons avoir des moyens de créer, d’opérer, de stocker et de transmettre des qubits de manière fiable », a déclaré l’auteur principal, Adina Ripin, étudiante en doctorat de physique à l’université de Washington. « Les photons constituent un choix naturel pour la transmission de ces informations quantiques, 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 ont travaillé avec des excitons afin de créer un émetteur de photons uniques, ou « émetteur quantique », qui est un composant essentiel pour les 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, connues sous le nom de diséléniure de tungstène, l’une sur l’autre.
Mo Li. Crédit : Université de Washington
Lorsque les chercheurs ont appliqué une impulsion précise de lumière laser, ils ont éloigné l’électron d’un atome de diséléniure de tungstène du noyau, ce qui a généré une quasiparticule d’exciton. Chaque exciton se compose d’un électron chargé négativement sur une couche du diséléniure de tungstène et d’un trou chargé positivement à la place de l’électron sur l’autre couche. Et comme 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, lorsque l’électron est retombé dans le trou qu’il occupait auparavant, l’exciton a émis un seul photon codé avec des informations quantiques, produisant ainsi 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 quasiparticule, appelé phonon. Les phonons sont le produit de la vibration atomique, qui est similaire à la respiration. Ici, les deux couches atomiques du diséléniure de tungstène se comportaient comme de minuscules peaux de tambour vibrant l’une par rapport à l’autre, ce qui a généré des phonons. C’est la première fois que des phonons sont observés dans un émetteur de photons uniques dans ce type de système atomique bidimensionnel.
Lorsque les chercheurs ont mesuré le spectre de la lumière émise, ils ont remarqué plusieurs pics régulièrement espacés. Chaque photon émis par un exciton était couplé à un ou plusieurs phonons. C’est un peu comme si l’on gravissait une échelle d’énergie quantique un échelon à la fois, et sur le spectre, ces pointes d’énergie étaient représentées visuellement par les pics régulièrement espacés.
« Un phonon est la vibration quantique naturelle du matériau de diséléniure de tungstène, et il a pour effet d’étirer verticalement la paire exciton-électron-trou située dans les deux couches », explique Li, qui est également membre du comité directeur de QuantumX de l’université de Washington et membre de la faculté de l’Institut des systèmes nano-ingénierie. « 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 constaté qu’ils pouvaient faire varier l’énergie d’interaction des phonons associés et des photons émis. Ces variations étaient mesurables et contrôlables de manière à encoder des informations quantiques dans l’émission d’un seul photon. Et tout cela a été réalisé dans un système intégré – un dispositif qui n’impliquait qu’un petit nombre d’atomes.
L’équipe prévoit ensuite 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 phonon 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 global est de créer un système intégré avec des émetteurs quantiques capables d’utiliser des photons uniques passant par des circuits optiques et les phonons nouvellement découverts pour faire de l’informatique quantique et de la détection quantique », a déclaré M. Li. « Cette avancée contribuera certainement à cet effort et permettra de poursuivre le développement de l’informatique quantique qui, à l’avenir, aura de nombreuses applications.
Référence : « Tunable phononic coupling in excitonic quantum emitters » par Adina Ripin, Ruoming Peng, Xiaowei Zhang, Srivatsa Chakravarthi, Minhao He, Xiaodong Xu, Kai-Mei Fu, Ting Cao et Mo Li, 1er juin 2023, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-023-01410-6
Les autres co-auteurs sont Ruoming Peng, Xiaowei Zhang, Srivatsa Chakravarthi, Minhao He, Xiaodong Xu, Kai-Mei Fu et Ting Cao.
L’étude a été financée par la National Science Foundation.