Créer de l'intrication à distance en déplaçant des électrons

Publié par Adrien le 04/04/2021 à 09:00
Source: CNRS INP
L'intrication de deux particules est une des clés des technologies quantiques. Dans le cas d'électrons, obtenir une intrication à grande distance est un défi. En exploitant la physique des semiconducteurs, les chercheurs ont réalisé un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) sans précédent sur la manipulation des électrons: ils les ont isolés et déplacés à volonté sur plusieurs micromètres tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en préservant leur caractère quantique.

Développer les technologies quantiques en s'appuyant sur les technologies de la microélectronique est un enjeu considérable et depuis quelques années, des recherches portent sur une version quantique des circuits électriques, dans laquelle les électrons seraient piégés dans des boites quantiques mais garderaient les facultés de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) propre à un circuit. Une stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie...) consiste à piéger les électrons grâce à des électrodes polarisées (grilles) et à déplacer le potentiel de piégeage (la boite) le long d'un circuit grâce à une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des...).


Figure d'interférence issue de l'expérience.
Insert: Image de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) à balayage de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) et du transfert de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) électronique. Les grilles servant à définir le canal à électrons sont représentées en vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde...). Les boîtes quantiques statiques et leurs électromètres sont créés à l'aide des grilles bleues et orange respectivement. A l'aide des grilles rouges, on contrôle l'envoi de chaque électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) et en conséquence le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) où les deux électrons sont séparés (délai). Finalement un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) global est appliqué.
La figure d'interférence obtenue est le résultat de la précession (La précession est le nom donné au changement graduel d'orientation de l'axe de rotation d'un...) quantique des spins induite par le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique en fonction du délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une...) entre les électrons. Le haut contraste des oscillations montre que les électrons sont restés intriqués au cours de l'expérience, et en particulier lorsqu'ils étaient séparés au maximum de 6 µm.

Pour deux électrons dans une même boite, en vertu du principe d'exclusion de Pauli, l'état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus...) est un état singulet et leurs spins sont corrélés: si l'un est dans un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...), l'autre est forcément dans le sens inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...). Si les électrons sont séparés et n'interagissent plus, cet état devient un état de deux spins électroniques distants intriqués et offre une stratégie pour propager de l'information dans un circuit quantique.

Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Néel (NEEL, CNRS/UGA) à Grenoble ont su créer et démontrer de l'intrication à distance entre deux spins électroniques piégés dans deux boites quantiques séparées de 6 µm. Le circuit quantique a été conçu dans une structure semiconductrice d'AlGaAs dont la fabrication a été réalisée à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Bochum en Allemagne.

Deux boites quantiques sont définies à l'aide de grilles que l'on dépose à la surface du semiconducteur et que l'on polarise pour piéger les électrons. Un canal à électrons entre les deux boites quantiques, défini à l'aide de deux longues grilles, guide les électrons d'une boite à l'autre lors de leur transfert. Pour propulser les électrons, une onde acoustique (Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée...) de surface est excitée et crée par effet piézoélectrique un potentiel de piégeage pour les électrons. Les électrons se déplacent ainsi à la vitesse (On distingue :) du son dans une sorte de navette (Une navette spatiale, dans le domaine de l'astronautique, est un véhicule aérospatial...), une boite quantique en mouvement générée dans le canal.

Toutes ces fonctionnalités permettent de séparer de manière contrôlée dans deux boites statiques éloignées de 6 µm deux électrons initialement au même endroit et intriqué dans un état singulet. Pour démontrer que l'intrication est préservée au cours du processus de séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...), on réalise une expérience d'interférences, consistant à recombiner les deux électrons dans la boîte quantique de réception et à mesurer la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un...) qu'ils soient restés dans leur état singulet de spin. Une figure d'interférences quantique à haut contraste démontrant l'intrication est ainsi obtenue (figure). Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Nano.

Le succès du concept de transfert de spins électroniques avec conservation de l'intrication développé dans ce travail montre une fonctionnalité essentielle à un ordinateur quantique (Un ordinateur quantique (ou rarement calculateur quantique) repose sur des propriétés quantiques...) à base de semiconducteurs. Son implémentation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :) avec des semiconducteurs tel que le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) nécessitera des adaptations pour pallier l'absence de piézoélectricité (La piézoélectricité (du grec piézein presser, appuyer) est la...): réaliser la navette de boites quantiques à l'aide de grilles ou déposer à la surface du silicium un film de matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) piézoélectrique.

Référence
Distant spin entanglement via fast and coherent (Le systèmes d'exploitation Coherent a été créé en 1983 par la défunte Mark Williams Company...) electron shuttling.
Baptiste Jadot, Pierre-André Mortemousque, Emmanuel Chanrion, Vivien Thiney, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Matias Urdampilleta, Christopher Bäuerle & Tristan Meunier, Nature Nano, publié le 15 février 2021.
DOI: 10.1038/s41565-021-00846-y
Article disponible sur la base d'archives ouvertes arXiv
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