Potentiel pratique de l’informatique quantique dans les couches de graphène

Des chercheurs de l’ETH Zurich ont révélé un potentiel passionnant pour le graphène bicouche (BLG) en tant que plate-forme pour l’informatique quantique, avec des délais de cohérence peut-être plus longs et un potentiel de portes logiques quantiques plus simples. Les chercheurs ont découvert un type de qubit qui existe au sein de BLG depuis de longues périodes, ce qui pourrait également ouvrir de nouvelles voies pour l’informatique quantique à semi-conducteurs.

Les qubits des équipes de Zurich sont connus sous le nom de qubits de vallée. La vallée fait ici référence à un degré de liberté supplémentaire pour les électrons. Au lieu de s’appuyer sur le spin des électrons, comme le qubit de spin commun que l’on trouve aujourd’hui dans de nombreux modèles d’ordinateurs quantiques, les qubits de vallée exploitent le niveau d’énergie des électrons par rapport à leur impulsion.

Dans la poursuite de l’informatique quantique pratique, où les informations codées en qubits doivent être préservées et manipulées au fil du temps, la durée pendant laquelle un qubit peut maintenir sa cohérence joue un rôle crucial. Selon les chercheurs, les qubits de vallée à durée de vie plus longue maintiennent une cohérence quantique jusqu’à 20 fois plus longtemps que les qubits basés sur le spin.

Comment le graphène pourrait-il devenir le silicium de l’informatique quantique ?

Le graphène, un matériau bidimensionnel composé d’une seule couche d’atomes de carbone disposés selon un réseau hexagonal, a déjà démontré des propriétés électroniques remarquables. Dans le graphène bicouche, deux feuilles d’atomes de carbone s’empilent l’une sur l’autre, créant une plate-forme unique avec des bandes interdites réglables grâce à l’application d’un champ électrique perpendiculaire aux couches. Cette possibilité de réglage le rend attrayant pour l’ingénierie de boîtes à points quantiques à l’échelle nanométrique capables de confiner des électrons dont les propriétés de forme libre pourraient être exploitées pour l’informatique quantique.

Le fait que les premières mesures des temps de relaxation soient déjà comparables aux points quantiques de pointe dans le silicium sans optimisation spécifique laisse la possibilité d’imaginer des temps encore meilleurs dans le futur. Rebecca Garreis, ETH Zurich

Rebekka Garreis, chercheuse à l’ETH Zurich et co-auteur de cette recherche, note qu’un point quantique niché à l’intérieur des couches de graphène connaît deux vallées électroniques. Sans champ magnétique externe, les deux états énergétiques dans cette vallée sont les mêmes. Ainsi, un électron dans un point quantique BLG peut occuper l’une ou l’autre des deux vallées. Cependant, si un champ magnétique externe est activé, il est possible de diviser les deux niveaux d’énergie des vallées, un peu comme la division hyperfine des états énergétiques électroniques d’un atome en raison des interactions entre les moments magnétiques nucléaires et électroniques des atomes.

BLG, contrairement à d’autres matériaux, permet de régler la vitesse à laquelle les deux états de la vallée se séparent. Cette contrôlabilité et cette accessibilité de ce degré de liberté de vallée, ainsi que son long temps de relaxation, en font un candidat approprié pour la mise en œuvre d’un qubit, a déclaré Garreis.

Le BLG est un matériau unique doté de propriétés intéressantes pour l’informatique, explique Garreis. Le fait que les premières mesures des temps de relaxation soient déjà comparables aux points quantiques de pointe dans le silicium sans optimisation spécifique permet d’imaginer des temps encore meilleurs dans le futur, a-t-elle ajouté.

Le moment eurêka derrière ces dernières recherches réside dans la longévité remarquable des États des vallées, selon Garreis. Les chercheurs rapportent des temps de relaxation mesurés pour les états de vallée supérieurs à 500 millisecondes, présentant des propriétés de cohérence prometteuses pour les futurs qubits de vallée. En revanche, selon Garreis, le temps de relaxation de spin dans BLG est inférieur à 25 millisecondes. Les points quantiques dans les semi-conducteurs conventionnels, note-t-elle, connaissent également une cohérence quantique dans un délai de 25 millisecondes ou moins.

Le long temps de relaxation des états de vallée dans BLG, dépassant 500 millisecondes, est prometteur pour des opérations de qubit de haute qualité, a déclaré Garreis.

Les avantages de BLG en tant que plate-forme d’informatique quantique s’étendent également au-delà de ses qubits de longue durée. En raison de sa géométrie et de ses propriétés physiques uniques, ajoute-t-elle, BLG permet le réglage in situ du degré de liberté de la vallée, une caractéristique cruciale pour l’hébergement et le contrôle des qubits.

Pourtant, le paradoxe perpétuel de l’informatique quantique reste un défi dans ce nouveau média. Les qubits bien protégés ne doivent pas non plus l’être du tout, sinon les informations quantiques contenues dans le qubit ne pourraient jamais être manipulées par des portes de logique quantique. Garreis affirme que les portes BLG Valley-Qubit pourraient être plus facilement manipulées et exploitées via des portes logiques électriques.

En revanche, les qubits de spin se couplent uniquement aux champs magnétiques, pas aux champs électriques, ce qui constitue un autre défi pour un ordinateur quantique pratique à qubits de spin. Par exemple, note-t-elle, une porte logique de qubits de spin pourrait impliquer des réseaux complexes de petits aimants supplémentaires au-dessus des qubits ou des réseaux couplés de spins nucléaires voisins.

La complexité des exigences de mise à l’échelle et éventuellement difficiles des qubits de spin rendent les états de la vallée BLG plus attrayants en tant que plate-forme d’informatique quantique, dit-elle. La possibilité de manipuler les qubits de vallée via une porte électrique, sans avoir besoin de petits aimants supplémentaires sur la surface de l’échantillon, simplifie la fabrication et l’évolutivité des ordinateurs quantiques, explique Garreis.

Garreis ajoute qu’un autre avantage du graphène est sa structure naturelle 2D. Comme il existe de nombreux autres matériaux 2D dotés de propriétés électroniques et optiques différentes, dit-elle, on peut les empiler les uns sur les autres comme des briques Lego et utiliser les propriétés souhaitées de différents matériaux pour les combiner en un système optimal pour les opérations de qubit.

Les chercheurs ont publié leurs résultats plus tôt ce mois-ci dans la revue Nature.