L’aube de l’ère des matériaux quantiques en couches

Le prix Nobel de physique 2022, décerné « pour des expériences avec des photons intriqués, établissant la violation des inégalités de Bell et pionnière dans la science de l’information quantique », a stimulé des progrès significatifs dans les applications de la technologie quantique.

Des chercheurs de l'Université Graphene Flagship Partner de Cambridge, en collaboration avec l'Université de technologie de Sydney (Australie), ont publié une perspective décrivant le potentiel des matériaux en couches pour les technologies quantiques.

Les particularités des matériaux stratifiés

Les matériaux en couches possèdent des caractéristiques optiques, électroniques, magnétiques, thermiques et mécaniques uniques et ont déjà démontré leur potentiel en tant que composants évolutifs pour les sources de lumière quantique émettant de la lumière de manière contrôlée au niveau quantique, les détecteurs de photons, les capteurs à l'échelle nanométrique et sur le terrain. de simulations quantiques.

Les matériaux en couches possèdent des propriétés électroniques spéciales qui permettent la création de qubits – les unités fondamentales de l’information quantique, analogues aux bits classiques (0 et 1) de l’informatique conventionnelle. Les propriétés de ces qubits peuvent être utilisées pourl'informatique quantique,détecteretcommunications . En exploitant le comportement quantique des matériaux en couches, comme leur capacité à générer et à manipuler des photons uniques, il est possible de développer des composants efficaces pour les réseaux de communication quantique, notamment des sources, des détecteurs et des modulateurs. Les matériaux en couches peuvent être intégrés à des guides d’ondes optiques et à des cavités pour manipuler et contrôler le flux de photons au niveau quantique. Les matériaux en couches sont également idéaux pour les protocoles de communication et de chiffrement sécurisés, tels que les plates-formes de distribution de clés quantiques (QKD), qui sont insensibles aux écoutes clandestines.

Se concentrer sur les émetteurs de photons uniques

Actuellement, une grande partie de la recherche sur l'application des matériaux en couches à la technologie quantique se concentre surémetteurs de photons uniques . Ceux-ci sont importants car ils servent de sources de photons individuels et, s'ils sont dotés de spins, ils peuvent fonctionner comme des sources de photons individuels.qubits optiquement actifs . En utilisant l'interaction entre les qubits et les photons, les qubits optiquement actifs permettent le transfert, la manipulation et le contrôle des informations quantiques à l'aide de la lumière. Ils permettent par exemple le transfert d’états quantiques d’un qubit à un autre qubit, même s’ils sont physiquement séparés.

« Pour la communication quantique longue distance et l’informatique quantique distribuée, vous souhaitez connecter deux emplacements distants de plusieurs kilomètres, voire de milliers de kilomètres. Cette tâche est assumée par les photons qui transportent l'information quantique entre les deux processeurs quantiques », explique Alejandro R.-P. Montblanch, de l'Université Graphene Flagship Partner de Cambridge.

L’un des exemples les plus connus d’émetteurs de photons uniques est le diamant contenant des impuretés. Lorsque les atomes de carbone du diamant sont remplacés par de l’azote, cela donne naissance à des propriétés optiques et de spin uniques, notamment la capacité d’émettre des photons uniques. D'autres émetteurs de photons uniques sont des matériaux quantiques en couches, qui comprennent des dichalcogénures de métaux de transition (TMD) semi-conducteurs – tels que WSe2, WS2, MoSe2, MoS2 et MoTe2 – du nitrure de bore hexagonal (hBN), du graphène, des hétérostructures, de l'InSe, du GaSe et des matériaux Janus en couches. (WSeS, MoSeS).

Le hBN est intéressant car il peut fonctionner à température ambiante, il peut émettre des photons allant de l’infrarouge à l’ultraviolet et il héberge des spins contrôlables pour développer de nouveaux capteurs quantiques ou répéteurs quantiques. Diverses techniques peuvent être utilisées pour générer des émetteurs de photons uniques dans les TMD et les hBN. Par exemple, ceux-ci peuvent être créés en plaçant le matériau en couches sur des nanopiliers, en indentant le matériau en couches à l'aide d'un microscope à force atomique, en bombardant le matériau avec des ions d'hélium, en générant des défauts ou en empilant des matériaux en couches avec un angle spécifique pour créer un motif de moiré.

Une perspective vers l'avenir