L'intrication quantique est une ressource pour le calcul, les communications sécurisées et les mesures ultra-précises. Dans les solides, on l'obtient généralement dans le diamant ou le carbure de silicium, mais les matériaux bidimensionnels offrent aux capteurs quantiques une résolution spatiale sans précédent : une sonde à balayage sur un seul défaut dans une couche de hBN a atteint 1 nanomètre, soit un ordre de grandeur de mieux que les analogues en diamant. À côté de ce travail, des études sur l'intrication quantique comme géométrie, sur la capacité thermique comme détecteur d'intrication dans le temps, et sur des photons intriqués dans des fibres optiques sont également déposées sur arXiv, toutes s'inscrivant dans la recherche de plateformes pratiques pour les technologies quantiques. Cependant, intriquer les spins dans le hBN lui-même n'avait pas encore été réalisé : l'environnement nucléaire dense détruisait la cohérence du spin électronique en quelques centaines de nanosecondes.
Le défaut de spin a été créé par implantation d'ions carbone-13 dans un cristal de hBN, suivi d'un recuit à haute température. Une cartographie confocale de photoluminescence a révélé un émetteur unique, et la mesure de corrélation de photons a confirmé son caractère unique (g(2)(0)=0,21). Le défaut s'est avéré être une paire de spins électroniques séparés de quelques nanomètres ; l'un d'eux est fortement couplé au spin nucléaire du carbone-13, permettant d'isoler un sous-système à deux qubits à quatre niveaux. Le spin électronique était contrôlé par des impulsions micro-ondes à des fréquences séparées de 290 MHz, et le spin nucléaire par des impulsions radiofréquence à 141 et 145 MHz dans un champ magnétique de 73,5 mT. Pour prolonger la cohérence, une séquence de Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) a été appliquée avec jusqu'à 1024 impulsions π de refocalisation. Les états intriqués ont été préparés par des portes non locales, puis la matrice densité a été reconstruite par tomographie quantique.
La cohérence du spin électronique est passée de 141 ns (écho de Hahn) à 38±10 μs avec 1024 impulsions de refocalisation, un record pour le hBN à température ambiante. La dépendance du temps de cohérence en fonction du nombre d'impulsions suit une loi de puissance avec un exposant de 0,77±0,09, indiquant la dominance d'un bruit fluctuant lentement. Les quatre états de Bell maximalement intriqués ont été préparés avec une fidélité allant jusqu'à 0,89 (pour l'état Ψ+). Le spin nucléaire a été utilisé comme mémoire quantique dans la spectroscopie de corrélation d'un champ magnétique alternatif : le signal a été conservé jusqu'à 1 ms, bien au-delà du temps de relaxation du spin électronique (environ 130 μs). L'analyse de Fourier du signal prolongé a donné une résolution spectrale de 0,7±0,2 kHz, soit sept fois meilleure que sans mémoire.
Ce travail démontre pour la première fois l'intrication de qubits de spin dans un matériau bidimensionnel à température ambiante, plaçant le hBN au même rang que le diamant et le carbure de silicium comme plateforme pour les technologies quantiques. Contrairement aux études voisines consacrées à l'interprétation géométrique de l'intrication ou à la capacité thermique comme détecteur, ici l'intrication est obtenue et utilisée de manière pratique : le spin nucléaire sert de mémoire durable, et le spin électronique d'interface optique rapide. C'est la première fois qu'une mémoire quantique sur spin nucléaire dans le hBN améliore la sensibilité d'un capteur de champ magnétique alternatif, confirmant l'adéquation des matériaux bidimensionnels pour les dispositifs quantiques hybrides.
La suite naturelle est le passage à l'échelle avec plusieurs spins nucléaires pour créer un registre quantique et réaliser une intrication multi-spins. L'augmentation du nombre d'impulsions de refocalisation et l'optimisation de la composition isotopique du hBN pourraient prolonger encore la cohérence. L'intégration de tels défauts dans des hétérostructures de van der Waals permettra de construire des capteurs quantiques à résolution atomique pour étudier le magnétisme bidimensionnel, les potentiels de moiré et l'intrication à plusieurs corps dans de nouveaux matériaux.
Ce résultat aura un impact sur la détection quantique, le calcul quantique sur qubits à l'état solide et les réseaux quantiques, où des nœuds de spin compatibles avec les photons sont nécessaires. Les capteurs bidimensionnels à base de hBN pourraient trouver des applications en science des matériaux pour cartographier les champs magnétiques avec une résolution nanométrique.
Vérifier l'intrication entre plusieurs spins nucléaires d'un même défaut et mesurer la durée de vie des états intriqués. Explorer des défauts avec un couplage hyperfin plus fort pour accélérer les portes et améliorer la fidélité.
Pour la détection quantique, la question de la limite de sensibilité à température ambiante reste ouverte : le bruit de l'environnement nucléaire limite la cohérence, et ce travail montre que le découplage dynamique et la mémoire quantique atténuent mais n'éliminent pas ce problème. De plus, la mise à l'échelle de l'intrication à des dizaines de qubits dans un solide sans perte de fidélité reste un défi non résolu.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Cette étude démontre l'intrication quantique entre le spin électronique et le spin nucléaire dans le hBN à température ambiante. En utilisant l'implantation de carbone-13, les auteurs ont créé un système à deux qubits, prolongé la cohérence du spin électronique jusqu'à 38 µs grâce à la séquence CPMG, préparé des états de Bell avec une fidélité de 0,89, et utilisé le spin nucléaire comme mémoire pour une spectroscopie de corrélation avec une résolution de 0,7 kHz.
Où est sa force
La cohérence record dans le hBN à température ambiante et la démonstration de l'intrication avec une mémoire nucléaire ouvrent la voie à des capteurs quantiques évolutifs sur des matériaux bidimensionnels.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
Ce résultat rapproche les capteurs quantiques d'applications pratiques en biologie et en science des matériaux, grâce à l'épaisseur atomique du hBN et à son fonctionnement à température ambiante.
Travaux voisins dans notre archive
L'archive est vide autour de ce travail : l'analyse la plus proche n'est qu'à 0.56, contre 0,64 d'ordinaire. Il semble qu'on ait peu foré à côté.
Le temps de cohérence du spin électronique après découplage dynamique (38 μs) est 270 fois plus long que le temps initial (141 ns). Si une voiture augmentait son autonomie de la même manière, elle passerait de 5 km à 1350 km.
L'idée d'une mémoire quantique sur spin nucléaire fait écho au concept d'« ancilla » de la science-fiction, un objet quantique auxiliaire qui stocke l'information pendant que le qubit principal interagit avec l'environnement. Dans le roman « Quarantine » de Greg Egan, les états quantiques sont utilisés comme ressource de calcul, et ici le spin nucléaire joue le rôle d'un tel « tampon » pour le capteur électronique.