Une nouvelle équation élégante permet aux scientifiques de calculer facilement la durée de vie de l’information quantique de 12 000 matériaux différents.

Les scientifiques ont découvert un raccourci mathématique pour calculer une caractéristique très importante des dispositifs quantiques.

Après avoir calculé les propriétés quantiques de 12 000 éléments et composés, les chercheurs ont publié une nouvelle équation permettant d’estimer la durée pendant laquelle les matériaux peuvent conserver des informations quantiques, appelée “temps de cohérence”.

«Les gens ont dû s’appuyer sur des codes et des calculs compliqués pour prédire les temps de cohérence des qubits de spin. Mais maintenant, les gens peuvent calculer eux-mêmes la prédiction instantanément. Cela ouvre la possibilité aux chercheurs de trouver par eux-mêmes la prochaine génération de matériaux qubit », a déclaré le co-auteur de l’étude Shun Kanai de l’Université de Tohoku.

L’élégante formule permet aux scientifiques d’estimer les temps de cohérence des matériaux en un instant, par rapport aux heures ou aux semaines qu’il faudrait pour calculer une valeur exacte.

L’équipe, composée de scientifiques du Laboratoire national Argonne du Département américain de l’énergie (DOE), de l’Université de Chicago, de l’Université Tohoku au Japon et de l’Université Ajou en Corée, a publié ses résultats en avril dans les Actes de l’Académie nationale des sciences.

L’équation de l’équipe s’applique à une classe particulière de matériaux, ceux qui peuvent être utilisés dans des dispositifs appelés spin qubits.

«Les gens ont dû s’appuyer sur des codes et des calculs compliqués pour prédire les temps de cohérence des qubits de spin. Mais maintenant, les gens peuvent calculer eux-mêmes la prédiction instantanément », a déclaré Kanai. “Cela ouvre des opportunités aux chercheurs pour trouver par eux-mêmes la prochaine génération de matériaux qubit.”

Les qubits sont l’unité fondamentale de l’information quantique, la version quantique des bits informatiques classiques. Ils se présentent sous différentes formes et variétés, y compris un type appelé spin qubit. Un qubit de spin stocke des données dans le spin d’un matériau, une propriété quantique inhérente à toute matière atomique et subatomique, comme les électrons, les atomes et les groupes d’atomes.

Les scientifiques s’attendent à ce que les technologies quantiques puissent contribuer à améliorer notre vie quotidienne. Nous pourrions être en mesure d’envoyer des informations sur des réseaux de communication quantiques qui sont impénétrables aux pirates, ou nous pourrions utiliser des simulations quantiques pour accélérer l’administration de médicaments.

La réalisation de ce potentiel dépendra de la disponibilité de qubits suffisamment stables – qui ont des temps de cohérence suffisamment longs – pour stocker, traiter et envoyer les informations.

Bien que l’équation de l’équipe de recherche ne donne qu’une prédiction approximative du temps de cohérence d’un matériau, elle se rapproche assez de la valeur réelle. Et ce que l’équation manque de précision, elle le compense en commodité. Il ne nécessite que cinq nombres – les valeurs de cinq propriétés particulières du matériau en question – pour obtenir une solution. Branchez-les et voilà ! Vous avez votre temps de cohérence.

Le diamant et le carbure de silicium sont actuellement les matériaux les mieux établis pour héberger les qubits de spin. Désormais, les scientifiques peuvent explorer d’autres candidats sans avoir à passer des jours à calculer si un matériau vaut la peine d’être approfondi.

« L’équation est comme une lentille. Il vous dit: “Regardez ici, regardez ce matériau – il semble prometteur”, a déclaré Giulia Galli, professeure à l’Université de Chicago et scientifique principale d’Argonne, co-auteur de l’étude et collaboratrice de Q-NEXT. « Nous recherchons de nouvelles plates-formes qubit, de nouveaux matériaux. Identifier des relations mathématiques comme celle-ci indique de nouveaux matériaux à essayer, à combiner.

Avec cette équation en main, les chercheurs prévoient d’augmenter la précision de leur modèle.

Ils seront également en contact avec des chercheurs capables de créer les matériaux avec les temps de cohérence les plus prometteurs, en testant s’ils fonctionnent aussi bien que l’équation le prédit. (L’équipe a déjà marqué un succès : un scientifique extérieur à l’équipe a rapporté que le temps de cohérence relativement long d’un matériau appelé tungstate de calcium fonctionnait comme prévu par la formule de l’équipe.)

“Nos résultats nous aident à faire progresser la technologie de l’information quantique actuelle, mais ce n’est pas tout”, a déclaré Hideo Ohno, professeur à l’Université de Tohoku, actuellement président de l’université et co-auteur de l’article. « Cela ouvrira de nouvelles possibilités en reliant la technologie quantique à une variété de systèmes conventionnels, ce qui nous permettra de faire encore plus de progrès avec les matériaux que nous connaissons déjà. Nous repoussons plus d’une frontière scientifique.

La découverte de polaritons d’onde de matière jette un nouvel éclairage sur les technologies quantiques photoniques

Le développement de plates-formes expérimentales qui font progresser le domaine de la science et de la technologie quantiques (QIST) s’accompagne d’un ensemble unique d’avantages et de défis communs à toute technologie émergente. Des chercheurs de l’Université de Stony Brook, dirigés par Dominik Schneble, Ph.D., rapportent la formation de polaritons d’ondes de matière dans un réseau optique, une découverte expérimentale qui permet d’étudier un paradigme QIST central grâce à une simulation quantique directe utilisant des atomes ultrafroids. Les chercheurs prévoient que leurs nouvelles quasi-particules, qui imitent les photons en forte interaction dans les matériaux et les dispositifs mais contournent certains des défis inhérents, bénéficieront au développement ultérieur des plates-formes QIST qui sont sur le point de transformer les technologies informatiques et de communication.

La recherche met en lumière les propriétés fondamentales du polariton et les phénomènes à plusieurs corps associés, et ouvre de nouvelles possibilités pour l’étude de la matière quantique polaritonique.

Un défi important dans le travail avec les plates-formes QIST basées sur les photons est que si les photons peuvent être des vecteurs idéaux d’informations quantiques, ils n’interagissent normalement pas les uns avec les autres. L’absence de telles interactions inhibe également l’échange contrôlé d’informations quantiques entre eux. Les scientifiques ont trouvé un moyen de contourner ce problème en couplant les photons à des excitations plus lourdes dans les matériaux, formant ainsi des polaritons, des hybrides semblables à des chimères entre la lumière et la matière. Les collisions entre ces quasi-particules plus lourdes permettent alors aux photons d’interagir efficacement. Cela peut permettre la mise en œuvre d’opérations de porte quantique à base de photons et éventuellement d’une infrastructure QIST complète.

Cependant, un défi majeur est la durée de vie limitée de ces polaritons à base de photons en raison de leur couplage radiatif à l’environnement, ce qui conduit à une désintégration spontanée et à une décohérence incontrôlées.

Selon Schneble et ses collègues, leurs recherches publiées sur le polariton contournent complètement ces limitations causées par la désintégration spontanée. Les aspects photoniques de leurs polaritons sont entièrement portés par des ondes de matière atomique, pour lesquelles de tels processus de désintégration indésirables n’existent pas. Cette fonctionnalité ouvre l’accès à des régimes de paramètres qui ne sont pas, ou pas encore, accessibles dans les systèmes polaritoniques à base de photons.

“Le développement de la mécanique quantique a dominé le siècle dernier, et une” deuxième révolution quantique “vers le développement de QIST et de ses applications est maintenant bien engagée dans le monde entier, y compris dans des sociétés telles qu’IBM, Google et Amazon”, déclare Schneble, professeur au Département de physique et d’astronomie du Collège des arts et des sciences. “Notre travail met en évidence certains effets fondamentaux de la mécanique quantique qui présentent un intérêt pour les systèmes quantiques photoniques émergents dans QIST, allant de la nanophotonique des semi-conducteurs à l’électrodynamique quantique des circuits.”

Les chercheurs de Stony Brook ont ​​mené leurs expériences avec une plate-forme comportant des atomes ultrafroids dans un réseau optique, un paysage potentiel en forme de caisse à œufs formé par des ondes de lumière stationnaires. À l’aide d’un appareil à vide dédié doté de divers lasers et champs de contrôle et fonctionnant à une température nanokelvin, ils ont mis en œuvre un scénario dans lequel les atomes piégés dans le réseau se «robent» de nuages ​​d’excitations de vide constitués d’ondes de matière fragiles et évanescentes.

L’équipe a découvert que, par conséquent, les particules polaritoniques deviennent beaucoup plus mobiles. Les chercheurs ont pu sonder directement leur structure interne en secouant doucement le réseau, accédant ainsi aux contributions des ondes de matière et à l’excitation du réseau atomique. Lorsqu’ils sont laissés seuls, les polaritons des ondes de matière sautent à travers le réseau, interagissent les uns avec les autres et forment des phases stables de matière quasi-particulaire.

“Avec notre expérience, nous avons effectué une simulation quantique d’un système exciton-polariton dans un nouveau régime”, explique Schneble. « La quête d’effectuer de telles simulations « analogiques », qui sont en outre « analogiques » dans le sens où les paramètres pertinents peuvent être librement composés, constitue en soi une direction importante au sein de QIST. »

La recherche de Stony Brook comprenait les étudiants diplômés Joonhyuk Kwon (actuellement postdoctorant au Sandia National Laboratory), Youngshin Kim et Alfonso Lanuza.

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