Le son provoque des « sauts quantiques » entre les orbites électroniques

Des chercheurs de l’Université Cornell ont démontré que les ondes sonores acoustiques peuvent être utilisées pour contrôler le mouvement d’un électron lorsqu’il tourne autour d’un défaut de réseau dans un diamant, une technique qui peut potentiellement améliorer la sensibilité des capteurs quantiques et être utilisée dans d’autres dispositifs quantiques.

Les progrès de la technologie de l’information quantique nécessitent de trouver de nouvelles façons de contrôler les électrons et autres particules microscopiques. Dans un article intitulé « Contrôle acoustique cohérent des états orbitaux défectueux dans la limite de la force de traction », Gregory Fuchs, professeur de physique appliquée et d’ingénierie, et son associé postdoctoral, Brendan McCullian, ont collaboré avec Erich Mueller, professeur de physique au College of Arts and Sciences, et son doctorant, Vaibhav Sharma, pour concevoir un environnement dans lequel les ondes sonores peuvent provoquer des « sauts quantiques » entre les orbites des électrons.

Le travail a été publié dans la revue PRX Quantique.

McCullian a construit un haut-parleur microscopique sur la surface d’une puce de diamant, qui fonctionnait à une fréquence correspondant exactement à une transition électronique. En utilisant des techniques similaires à celles employées dans l’imagerie par résonance magnétique, il a pu démontrer le contrôle cohérent d’un seul électron à l’intérieur de la puce de diamant.

Les qubits, l’analogue quantique des bits d’un ordinateur classique, doivent rester cohérents, ou dans un état stable, pour pouvoir être utiles. Cette cohérence est très fragile et se perd facilement en raison des fluctuations de l’environnement, comme lorsqu’un électron proche saute d’un endroit à un autre. Depuis de nombreuses années, les scientifiques étendent les temps de cohérence des qubits en utilisant une technique appelée résonance de spin, qui utilise des micro-ondes et des champs magnétiques pour modifier le comportement des électrons. Fuchs et son groupe ont tenté d’étendre cette technique au domaine acoustique et d’améliorer la cohérence des orbitales.

« Nous avons piloté acoustiquement les états orbitaux d’une manière quelque peu analogue à la résonance de spin, puis nous avons utilisé la boîte à outils établie des techniques de résonance de spin pour étudier la cohérence de cet état orbital », a déclaré Fuchs. « Il était très intéressant pour nous de pouvoir réaliser une version orbitale de la résonance de spin : prendre les outils que nous connaissons de la résonance de spin (par exemple, le contrôle cohérent et les oscillations de Rabi) et, avec un résonateur acoustique de quelques gigahertz, les appliquer aux états orbitaux et constater que ces techniques sont toujours valables. »

Les travaux de Fuchs contribuent à faire progresser la connaissance du centre de lacune d’azote (NV), un défaut dans les réseaux cristallins de diamant qui est un qubit important pour la détection et la mise en réseau quantique, et aident à développer de nouveaux outils pour lutter contre les fluctuations environnementales qui conduisent à la diffusion spectrale, ce qui peut causer des problèmes majeurs dans les applications de réseaux quantiques qui reposent sur une transition optique stable où la fréquence de chaque photon émis est la même.

« En étudiant la manière dont le centre NV interagit avec ces sources de bruit et en trouvant des moyens de modifier cette interaction à l’aide d’outils que nous réservons normalement aux spins, nous avons trouvé un moyen de le faire fonctionner avec les états orbitaux. C’est un ajout important à la science », a déclaré Fuchs. « Ce projet est également un exemple de la manière dont la collaboration entre équipes devrait fonctionner. Les techniques expérimentales ont été développées dans mon laboratoire, mais nous avons ensuite collaboré avec un groupe du département de physique qui a fourni une analyse théorique et nous a aidés à formuler nos prévisions et à comprendre les résultats. »

« Ce fut une collaboration extrêmement enrichissante », a déclaré Mueller. « Les ondes acoustiques ont excité les électrons grâce à un mécanisme similaire à celui utilisé pour « pomper » une balançoire sur un terrain de jeu. Lorsque les vibrations sont synchronisées avec le mouvement des électrons, elles peuvent leur transférer de l’énergie. Il est vraiment étonnant que l’on puisse contrôler le mouvement des électrons avec ce qui est essentiellement un haut-parleur. »