Des scientifiques financés par l’UE ont mis au point un dispositif optomécanique à l’échelle nanométrique à base de silicium qui permet un couplage fort entre le mouvement mécaniqueet la lumière. Ils envisagent de l’utiliser comme un transducteur quantique entre les bits quantiques de spin et la lumière, une perspective qui pourrait faire avancer de manière significative l’objectif des ordinateurs quantiques à base de silicium.
La manipulation des effets quantiques dans les matériaux devient de plus en plus puissante et conduit à des dispositifs technologiques dotés de performances et de capacités fondamentalement supérieures. Il a récemment été révélé que les électrons liés aux donneurs dans le silicium avaient l’un des temps de cohérence quantique les plus longs. En particulier, les atomes d’impureté phosphoreuse dans le silicium sont l’un des atomes qui conservent leur cohérence de spin ? le temps nécessaire à la destruction de l’état quantiquepar l’environnement ? les plus étudiés.
Informations de rotation converties en signaux lumineux
Pour construire un ordinateur quantique fonctionnel, il est nécessaire de contrôler un grand nombre de qubits et de lire et communiquer efficacement les états de qubit. Des structures optomécaniques minuscules pourraient devenir un élément crucial des progrès de l’information quantique dans un avenir proche. “Les résonateurs optomécaniques à l’échelle nanométrique peuvent servir d’excellents ?transducteurs quantiques? entre différents systèmes, tels que les micro-ondes et la lumière ou les qubits et la lumière, agissant comme un canal d’information quantique entre ces systèmes distincts”, note le Dr Juha Muhonen, boursier de NAMESTRANSIS, un projet d’action Marie Sk?odowska-Curie.
La principale motivation était de créer un dispositif optomécanique à base de silicium capable de coupler le spin électronique au mouvement quantifié d’un résonateur optomécanique à l’échelle nanométrique, où le mouvement de cette minuscule structure est, à son tour, couplé à des photons optiques. “L’inclusion d’atomes d’impuretés phosphoreuses dans une plaquette de silicium, puis l’encodage de l’information dans le spin des électrons associés peuvent être utilisés pour stocker des informations quantiques”, explique le Dr Muhonen. “De fortes interactions de couplage entre le mouvement mécanique du résonateur et la lumière pourraient alors être responsables de la lecture et de la communication de l’information quantique”, ajoute le Dr Muhonen.
Des performances inégalées
L’équipe du projet a étudié un type particulier de résonateur optomécanique ? une “cavité nanométrique à cristal photonique à tranchée” ? qui affichait une conversion de petits déplacements vibratoires en lumière avec une résistance sans précédent.
Les travaux du projet se sont donc révélés difficiles sur le plan théorique et pratique, mais aussi gratifiants. “Nous avons remarqué que notre appareil optomécanique se comportait de manière inédite et ne correspondait pas aux modèles analytiques actuellement utilisés. Ce fort couplage optomécanique a été attribué au fait que la cavité peut confiner la lumière à des échelles beaucoup plus petites que la longueur d’onde optique. Le système a démontré des effets non linéaires qui ont eu un impact marqué sur la réponse optique, la mesure du déplacement mécanique et la pression de rayonnement“, souligne le professeur Verhagen, chef du groupe dans le cadre duquel le projet a été réalisé.
L’équipe du projet a démontré une nouvelle méthode de mesure du mouvement du résonateur basée sur des impulsions lumineuses rapides. “L’utilisation d’impulsions lumineuses très rapides permet d’éviter les mesures et de tester la nature quantique du mouvement mécanique en créant des états mécaniques non classiques”, explique le Dr Muhonen. En outre, des impulsions lumineuses rapides peuvent contribuer à améliorer la sensibilité des dispositifs de détection quantiques, ou pourraient être utilisées pour une lecture rapide et précise du spin dans le futur transducteur quantique.
La lecture optique et la communication des états de spin dans le silicium ainsi que la création d’états mécaniques non classiques sont deux objectifs de longue date des chercheurs sur le terrain. Le projet a démontré avec succès comment le dispositif nanométrique à base de silicium, récemment mis au point, peut mesurer des mouvements mécaniques minuscules avec une grande précision et qu’il présente un potentiel élevé pour faire avancer ces deux objectifs.
Outre les informations quantiques, les applications incluent également des capteurs de force, des capteurs de gaz et des accéléromètres.
