Une puce en diamant relie lumière et qubits en laboratoire

Une puce de deux millimètres de large, collée au doigt froid d’un cryostat et refroidie à 4 K, fait désormais ce qu’un qubit en diamant doit accomplir avant de pouvoir communiquer avec le monde extérieur : elle permet à un signal lumineux et à un bit quantique d’agir l’un sur l’autre de façon fiable. L’équipe de l’Université de Washington, dirigée par le premier auteur Nicholas S. Yama et travaillant avec Kai-Mei C. Fu, de l’Université Washington et du Pacific Northwest National Laboratory, publie ce résultat dans la revue Optica Quantum.

Les qubits concernés sont des centres lacune-silicium, ou centres SiV : des défauts du cristal de diamant où un atome de silicium occupe la place d’un site vide du réseau. Ils stockent bien l’information quantique, mais doivent l’envoyer sous forme de photons, des particules de lumière, pour se connecter à d’autres dispositifs à distance. Les réseaux de fibre optique pourraient transporter ces photons, et la difficulté réside dans la conversion entre les deux. Le phosphure de gallium, connu sous le sigle GaP, est depuis longtemps un candidat pour la partie photonique, car il peut accueillir directement sur la puce des composants optiques tels que des commutateurs et des modulateurs. Jusqu’ici, toutefois, la couche de GaP était physiquement séparée des centres SiV, et les deux interagissaient trop faiblement pour être contrôlés de façon déterministe.

La solution tenait en partie à la fabrication, en partie à la conception. Les dispositifs précédents gravaient le diamant pour combler l’écart, une méthode que l’équipe qualifie de non standard et difficile à mettre à l’échelle. En 2023, le groupe de Fu avait montré que le GaP pouvait être transféré sur du diamant non modifié grâce à un procédé extensible par tampon, mais l’interaction optique était trop faible pour un usage pratique. Cette fois, les chercheurs ont repensé la structure en intégrant la séparation physique à l’optimisation du dispositif. Après plusieurs itérations, ils ont porté le rendement du transfert par tampon à près de 100 %, et ont produit plus de 600 cavités avec un rendement de 99,5 %.

Les mesures montrent que le couplage fonctionne. Les dispositifs ont atteint une coopérativité supérieure à l’unité, un régime dans lequel la lumière diffusée par le dispositif est assez intense pour révéler l’état de spin du centre SiV. Chaque état de spin produit une signature spectrale distincte, ce qui a permis à l’équipe de suivre le qubit passant d’un état à l’autre. Les dispositifs ont aussi conservé des temps de relaxation de spin au-delà de 0,4 milliseconde. Il s’agit de résultats de laboratoire, obtenus sur des puces refroidies et à l’aide d’un laser, et ils n’ont pas encore été reproduits dans un réseau.

Ce qui change pour le domaine, c’est la voie vers des puces plus grandes. Yama estime que la plateforme pourrait à terme relier plusieurs qubits SiV sur une seule puce, avec la commutation et la modulation intégrées à leurs côtés plutôt que fournies par des composants externes distincts, et que le couplage fondamental constitue la première pièce de ce plan. Les auteurs évoquent les communications sécurisées et la cryptographie comme usages possibles, ainsi que l’informatique quantique de façon plus générale. L’article ne fixe de date pour aucun de ces usages, et l’équipe n’a pas encore construit la puce de mise en réseau multi-qubits qu’elle décrit. Pour l’heure, l’avancée est une interface fonctionnelle entre un qubit en diamant et la lumière, reproductible à grande échelle en fabrication, et c’est le premier pas sur cette voie.