Les diamants pourraient-ils permettre d’améliorer les qubits pour l’informatique quantique ?

Utilisation du diamant pour l'informatique quantique

Contrairement aux ordinateurs classiques qui utilisent des bits (0 et 1), les ordinateurs quantiques utilisent des « qubits ». Les qubits peuvent exister dans plusieurs états simultanément grâce à deux propriétés quantiques : superposition et enchevêtrement.

• Superposition permet aux qubits de représenter à la fois 0 et 1 en même temps, augmentant de manière exponentielle les données pouvant être traitées par rapport aux bits classiques.
• Enchevêtrement relie les qubits de telle manière que l'état d'un qubit peut instantanément affecter un autre, même sur de grandes distances.

Ces propriétés permettent aux QPU de résoudre des problèmes très complexes beaucoup plus rapide que les ordinateurs classiques en explorant plusieurs solutions simultanément.

« L’avantage des qubits est qu’ils peuvent contenir beaucoup plus d’informations que les bits ordinaires. Cela signifie qu’ils peuvent également nous fournir beaucoup plus d’informations sur leur environnement, ce qui les rend extrêmement utiles en tant que capteurs, par exemple. »

Alastair Stacey - Physicien de recherche principal et responsable des matériaux et dispositifs quantiques au PPPL.

Cependant, les qubits sont extrêmement fragiles et mesurer leurs propriétés n’est pas une tâche facile.

Et si nous comptions plutôt sur l’un des matériaux les plus durs de la planète – le diamant – pour effectuer les tâches de notre ordinateur le plus avancé ? C’est la vision des chercheurs de l’Université de Princeton, qui ont récemment publié dans Diamond And Related Materials, sous le titre «Modèle de chimie quantique des réactions de surface et modèle cinétique de la croissance du diamant : effets des radicaux CH3 et des molécules C2H2 à basse température CVD¹ ».

Ceci rejoint les travaux d'autres chercheurs de l'Université de Melbourne et de l'Université de Princeton, publiés sous le titre «Méthodes de préservation du centre de couleur de la terminaison hydrogène du diamant². »

Des diamants en croissance à la demande

Les diamants, qui étaient autrefois une pierre naturelle, sont aujourd'hui principalement fabriqués à partir de carbone brut. Cependant, ce procédé nécessite une chaleur et une pression très intenses, ce qui fait qu'il ne peut pas être combiné avec d'autres matériaux comme le silicium utilisé dans les puces informatiques. Pour cela, il faut fabriquer des diamants à basse température.

Certaines méthodes ont déjà été explorées, comme l’utilisation d’acétylène et une technique appelée « dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma ».

Source: PPPL

Le problème est que, même si ce procédé permet de produire des diamants microscopiques, il produit également beaucoup de suie, qui peut se former sur le diamant et nuire aux performances des optiques, des capteurs et des puces. Jusqu'à présent, on ne savait pas exactement pourquoi c'était de la suie qui se formait au lieu de diamants.

Température et hydrogène de Boucle d'or

Les chercheurs ont découvert qu'il existe une température précise à laquelle le processus crée un diamant. Au-dessus de cette température critique, l'acétylène contribue principalement à la croissance du diamant. En dessous de cette température critique, il contribue principalement à la croissance de la suie.

Source : Diamant et matériaux connexes

Un autre facteur est l'activité des atomes d'hydrogène près de la surface du diamant. Plus il y a d'hydrogène près de la surface, plus il peut se former de diamants, même à des températures plus basses.

« Les atomes d'hydrogène ne contribuent pas directement à la croissance du diamant, mais la dissociation ou la décomposition de l'hydrogène est essentielle pour transformer le méthane en acétylène et transporter l'hydrogène atomique vers la surface de croissance du diamant. Ces deux éléments sont importants pour la croissance du diamant »,

Alexander Khrabry – Chercheur à l’Université de Princeton

Ensemble, ces connaissances sur la formation des diamants ouvrent la voie à la création fiable de diamants microscopiques directement à l’intérieur des semi-conducteurs en silicium sans endommager le reste du matériau avec des températures élevées ou créer de la suie indésirable.

Diamants quantiques

Les diamants simples fabriqués uniquement à partir de carbone pourraient avoir des applications dans le domaine de l'optique et des capteurs. Mais des formes plus avancées de diamants pourraient être encore plus utiles.

Par exemple, les diamants quantiques sont fabriqués lorsque certains des atomes de carbone composant le diamant sont remplacés par d'autres atomes, comme par exemple l'azote, et que d'autres atomes de carbone sont simplement éliminés. Cela crée ce que l'on appelle une lacune d'azote (NV).

Dans un tel diamant, les électrons à l'intérieur commencent à suivre les règles quantiques au lieu de la physique classique, ce qui pourrait être utilisé pour construire des qubits.

« Les électrons de ce matériau ne se comportent pas selon les lois de la physique classique, contrairement aux particules plus lourdes. Au contraire, comme tous les électrons, ils se comportent selon les lois de la physique quantique. »

Alastair Stacey - Physicien de recherche principal et responsable des matériaux et dispositifs quantiques au PPPL.

Perfectionner le livre de cuisine Diamond

Jusqu'à présent, la méthode de fabrication des diamants à l'aide du plasma était loin d'être précise. Elle s'appuyait sur de nombreux essais et erreurs, car la théorie de ce qui se passe exactement à la surface du diamant n'était pas bien comprise.

Idéalement, le plasma pourrait également être utilisé pour ajouter une couche monoatomique d’hydrogène sur le diamant. Mais dans le cas des diamants quantiques, la température élevée détruirait la lacune d’azote.

Les chercheurs ont donc construit un système analytique élaboré (utilisant la spectroscopie de photoluminescence) pour déterminer ce qui fonctionne le mieux pour créer une couche d’hydrogène sur les diamants NV.

Source: Interface de matériaux avancés

Ils ont découvert que deux nouvelles méthodes pouvaient être utilisées, bien que chacune présente pour l’instant ses propres inconvénients.

Source: Interface de matériaux avancés

• Recuit au gaz de formage, qui utilise un mélange de molécules d'hydrogène et d'azote gazeux, fonctionnait mais nécessitait de l'hydrogène gazeux très pur sans aucun oxygène, ce qui était difficile à réaliser à basse température.
• Terminaison par plasma froid, qui utilise indirectement le plasma d'hydrogène, n'endommage pas le centre NV et est plus facile à mettre en œuvre, mais crée une couche d'hydrogène de moindre qualité sur le diamant.

« Cela met en évidence le compromis entre la qualité de surface et les propriétés NV qui devront être équilibrées dans les applications futures. Par exemple, dans les projets de détection biomoléculaire, il est absolument crucial que les NV soient préservées à proximité des surfaces. »

Daniel McCloskey - Rchercheur à l'Université de Melbourne. 

Dans l’ensemble, ces découvertes ouvrent la voie à quelques nouvelles applications des diamants, jusqu’alors difficiles, voire impossibles :

• Production directe sur semi-conducteurs en silicium, intégrant les diamants directement dans les circuits, les capteurs et les transistors.
• Production de diamants quantiques en qubits fonctionnels, incluant une couche d'hydrogène finement réglée à la surface du diamant.

Nouveaux ordinateurs quantiques

Les ordinateurs quantiques ont jusqu'à présent été construits à partir de méthodes connues issues des tactiques de fabrication traditionnelles utilisées par l'industrie des semi-conducteurs. Mais la technologie quantique étant si différente de l'informatique classique, il est logique que de nouveaux matériaux soient probablement plus adaptés que le silicium traditionnel.

Cela pourrait inclure des diamants, ce qui permettrait un jour d’effectuer des calculs quantiques à température ambiante, ce qui non seulement réduirait considérablement les coûts, mais aiderait également à créer des ordinateurs quantiques plus grands.

« La création d'un simulateur quantique avec plus de 50 qubits et d'un ordinateur quantique à température ambiante ouvre la voie à une mise à l'échelle vers un nombre plus élevé de qubits, comme 100 ou 1000 XNUMX, ce qui changerait la donne pour des domaines comme la cryptographie, l'IA et la science des matériaux.

Cette capacité permettrait aux scientifiques de découvrir plus rapidement des médicaments qui sauvent des vies, de résoudre des problèmes d’optimisation difficiles ou de développer des technologies d’économie d’énergie plus efficacement. »

Martin Koppenhöfer - Coordinateur de projet chez SPINUS

Outre les diamants, d’autres nouveaux matériaux innovants comme par exemple Les résonateurs nanomécaniques piézoélectriques en nitrure d'aluminium pourraient également être utilisés pour les capteurs quantiques ou les transducteurs quantiques.

Dans l’ensemble, il est probable que les nouveaux matériaux avancés constitueront une alternative solide au silicium et repousseront les promesses de l’informatique quantique bien plus loin que nous ne pourrions le deviner aujourd’hui.

Investir dans l'informatique quantique

L’informatique quantique n’en est qu’à ses débuts, mais elle a déjà attiré l’attention de toutes les grandes entreprises informatiques qui ont jusqu’à présent alimenté la révolution du silicium.

Il se pourrait qu'il soit toujours limité à des applications de niche qui ne se limitent pas à nos ordinateurs, mais il pourrait néanmoins jouer un rôle déterminant dans la modélisation de la physique, de la biologie, des sciences des matériaux, de la cryptographie et des applications militaires.

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Ou vous pouvez consulter notre liste des «Top 10 des actions de nanotechnologie" et « Les 5 meilleures entreprises d’informatique quantique ».

Entreprises d'informatique quantique

International Business Machines Corporation (IBM) a été le principal moteur de la commercialisation du premier ordinateur central.

Cependant, il a récemment pris du retard dans le volume de production d'autres géants de la technologie comme Apple. (AAPL + 1.54%), TSMC (TSM + 2.82%)et NVIDIA (NVDA + 1.02%)

Il est pourtant à la pointe du développement des ordinateurs quantiques. Par exemple, elle a développé son ordinateur quantique « Eagle » de 127 qubits, qui a été suivi par un système de 433 qubits appelé « Osprey ».

Et c'est maintenant suivi de « Condor », un processeur quantique supraconducteur de 1,121 XNUMX qubits basé sur la technologie des portes à résonance croisée, associé à « Heron », un processeur quantique à la pointe du domaine.

Les ordinateurs quantiques pourraient bénéficier d’un contrôle magnétique amélioré, améliorant la stabilité et la fiabilité des qubits, qui sont essentiels à la puissance de traitement.

De même, les progrès dans le domaine des supraconducteurs, qui reposent sur des champs magnétiques contrôlés, pourraient conduire à des systèmes de transmission d’énergie et de refroidissement plus efficaces, en particulier à des températures plus élevées.

IBM est impliqué dans la plupart des autres innovations de pointe dans le domaine de l'informatique et des semi-conducteurs. Il s'agit notamment matériaux organiques conducteurs, calcul neuromorphique, photonique, etc.

Dans une certaine mesure, IBM est devenue une « société de brevets » possédant une expertise dans le développement de nouvelles méthodes informatiques et l'octroi de licences à l'industrie.

Jusqu’à présent, il semble très déterminé à détenir autant de brevets clés dans toutes les méthodes informatiques sans silicium qu’il peut obtenir, reproduisant ainsi son succès passé en contribuant massivement au développement de l’industrie des semi-conducteurs pour en faire le géant qu’elle est aujourd’hui.

Référence de l'étude :

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, ID, Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Modèle de chimie quantique des réactions de surface et modèle cinétique de la croissance du diamant : effets des radicaux CH₃ et des molécules C₂H₂ lors du dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à basse température. Diamant et matériaux connexes, 149 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, DJ, Stacey, A., de Leon, NP, et Kaganovich, ID (2024). Méthodes de terminaison hydrogène du diamant préservant le centre de couleur. Interfaces de matériaux avancés, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}