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Les points quantiques dans les semi-conducteurs tels que le silicium ou l’arséniure de gallium ont longtemps été considérés comme des candidats prometteurs pour héberger des bits quantiques dans les futurs processeurs quantiques. Des scientifiques du Forschungszentrum Jülich et de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle ont maintenant montré que le graphène bicouche a encore plus à offrir ici que d’autres matériaux. Les doubles points quantiques qu’ils ont créés se caractérisent par une symétrie électron-trou presque parfaite qui permet un mécanisme de lecture robuste – l’un des critères nécessaires à l’informatique quantique. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature.
Le développement de qubits de spin semi-conducteurs robustes pourrait aider à la réalisation d’ordinateurs quantiques à grande échelle à l’avenir. Cependant, les systèmes qubit actuels basés sur des points quantiques en sont encore à leurs balbutiements. En 2022, des chercheurs de QuTech aux Pays-Bas ont pu créer pour la première fois 6 qubits de spin à base de silicium. Avec le graphène, il reste encore un long chemin à parcourir. Le matériau, qui a été isolé pour la première fois en 2004, est très attrayant pour de nombreux scientifiques. Mais la réalisation du premier bit quantique est encore à venir.
« Le graphène bicouche est un semi-conducteur unique », explique le professeur Christoph Stampfer du Forschungszentrum Jülich et de l’université RWTH Aachen. « Il partage plusieurs propriétés avec le graphène monocouche et possède également d’autres caractéristiques spéciales. Cela le rend très intéressant pour les technologies quantiques. »
L’une de ces caractéristiques est qu’il a une bande interdite qui peut être réglée par un champ électrique externe de zéro à environ 120 milli-électronvolt. La bande interdite peut être utilisée pour confiner les porteurs de charge dans des zones individuelles, appelées points quantiques. Selon la tension appliquée, ceux-ci peuvent piéger un seul électron ou son homologue, un trou – essentiellement un électron manquant dans la structure à l’état solide. La possibilité d’utiliser la même structure de grille pour piéger à la fois les électrons et les trous est une caractéristique qui n’a pas d’équivalent dans les semi-conducteurs conventionnels.
« Le graphène bicouche est encore un matériau relativement nouveau. Jusqu’à présent, ce sont principalement des expériences qui ont déjà été réalisées avec d’autres semi-conducteurs qui ont été réalisées avec lui. Notre expérience actuelle va maintenant vraiment au-delà pour la première fois », déclare Christoph Stampfer. Lui et ses collègues ont créé un soi-disant point quantique double : deux points quantiques opposés, chacun abritant un électron et un trou dont les propriétés de spin se reflètent presque parfaitement.
Large gamme d’applications
« Cette symétrie a deux conséquences remarquables : elle est presque parfaitement préservée même lorsque les électrons et les trous sont spatialement séparés dans différents points quantiques », a déclaré Stampfer. Ce mécanisme peut être utilisé pour coupler des qubits à d’autres qubits sur une plus longue distance. Et de plus, « la symétrie se traduit par un mécanisme de blocage très robuste qui pourrait être utilisé pour lire l’état de spin du point avec une haute fidélité ».
« Cela va au-delà de ce qui peut être fait dans les semi-conducteurs conventionnels ou tout autre système électronique bidimensionnel », déclare le professeur Fabian Hassler de l’Institut JARA pour l’information quantique au Forschungszentrum Jülich et de l’Université RWTH Aachen, co-auteur de l’étude. « La symétrie presque parfaite et les règles de sélection fortes sont très attrayantes non seulement pour le fonctionnement des qubits, mais également pour la réalisation de détecteurs térahertz à une seule particule. De plus, il se prête au couplage de points quantiques de graphène bicouche avec des supraconducteurs, deux systèmes dans lesquels l’électron La symétrie des trous joue un rôle important. Ces systèmes hybrides pourraient être utilisés pour créer des sources efficaces de paires de particules intriquées ou des systèmes topologiques artificiels, nous rapprochant un peu plus de la réalisation d’ordinateurs quantiques topologiques.
Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Nature. Les données supportant les résultats et les codes utilisés pour l’analyse sont disponibles dans un référentiel Zenodo. La recherche a été financée, entre autres, par le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne (Graphene Flagship) et par le Conseil européen de la recherche (ERC), ainsi que par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) dans le cadre du projet Matter of Light. pour le pôle d’excellence en informatique quantique (ML4Q).
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