L'équipe de recherche de l'École d'ingénierie et de sciences appliquées John A. Paulson de l'Université Harvard, en collaboration avec plusieurs institutions internationales, a observé pour la première fois avec succès l'effet Purcell acoustique dans des nanostructures de diamant. L'étude utilise un centre unique de lacune de silicium comme qubit de spin et, en concevant un résonateur nanomécanique à fréquence micro-onde, a permis d'augmenter le taux de relaxation du spin d'environ un facteur dix, correspondant à une coopérativité spin-phonon d'environ 10, établissant ainsi un nouveau record.
Selon l'article publié le 6 mai dans la revue Nature, l'équipe de recherche a construit un résonateur nanomécanique à fréquence micro-onde spécialement conçu autour du qubit de spin du centre coloré dans le diamant, et a effectué des mesures de spectroscopie laser au niveau du photon unique à des températures de l'ordre du millikelvin. L'expérience montre que lorsque le qubit de spin est accordé en résonance avec un mode acoustique de 12 GHz, son taux de relaxation du spin est accéléré d'un facteur dix par rapport à l'espace libre, confirmant directement la prédiction centrale de l'effet Purcell acoustique. De plus, l'équipe a également utilisé ce centre coloré comme sonde à l'échelle atomique pour mesurer le spectre phononique à large bande de la nanostructure dans une gamme de fréquences allant jusqu'à 28 GHz.
L'effet Purcell, proposé par le physicien Edward Purcell en 1946, décrit comment une cavité résonante électromagnétique peut modifier le taux d'émission spontanée d'un émetteur placé à l'intérieur, et a depuis été largement appliqué dans les domaines de l'informatique et de la communication quantiques. L'effet Purcell acoustique est l'équivalent de cet effet dans les systèmes phononiques, utilisant des ondes acoustiques plutôt que lumineuses pour contrôler les états quantiques. L'équipe de Harvard a reproduit avec succès ce mécanisme pour la première fois dans un atome artificiel à l'état solide, comblant ainsi une lacune expérimentale qui persistait depuis près de 80 ans dans les systèmes acoustiques à l'état solide depuis la proposition de cette théorie.
Le centre de lacune de silicium est un défaut ponctuel dans le diamant formé par un seul atome de silicium remplaçant deux atomes de carbone. Sa dégénérescence orbitale à l'état fondamental est très sensible à la déformation locale, et la force du couplage électron-phonon est naturellement supérieure à celle d'autres systèmes de centres colorés. L'équipe a exploité cette caractéristique pour redistribuer la densité d'états phononiques via le résonateur nanomécanique, accélérant sélectivement le canal de relaxation du spin par émission de phonons. Les mesures montrent que la coopérativité spin-phonon du système atteint environ 10, ce qui indique que le système a franchi le seuil critique requis pour les manipulations quantiques cohérentes, permettant aux phonons d'extraire efficacement l'information du qubit sans être noyés par le bruit environnemental.
Ce travail de recherche a été dirigé par l'Université Harvard, en collaboration avec des équipes de recherche du Japon, d'Europe et d'ailleurs. L'article compte un total de 12 co-auteurs, dont Graham Joe, Michael Haas, Kazuhiro Kuruma, Chang Jin, Dongyeon Daniel Kang, Sophie Weiyi Ding, Cleaven Chia, Hana Warner, Benjamin Pingault, Bartholomeus Machielse, Srujan Meesala et Marko Loncar. Ce modèle de collaboration intercontinentale couvre la chaîne technique complète, de la préparation du matériau diamant et du traitement des nanostructures aux mesures quantiques à basse température.
Ce résultat ouvre une voie directe pour la conversion de signaux entre les qubits à l'état solide et les dispositifs acoustiques supraconducteurs, et pourrait reconfigurer la manière dont les nœuds des réseaux quantiques sont interconnectés. Premièrement, les phonons peuvent servir de « transducteur quantique universel » entre différents systèmes physiques, permettant le transfert d'information entre les qubits supraconducteurs et les centres colorés à l'état solide. Deuxièmement, cette technologie peut être directement convertie en mémoires quantiques mécaniques, fournissant une base physique pour la synchronisation et la mise en mémoire tampon de l'information dans les réseaux d'informatique quantique distribuée. Troisièmement, l'effet Purcell acoustique peut convertir le bruit phononique en une ressource pour améliorer le taux de polarisation du spin, offrant une sensibilité supérieure aux limites actuelles pour la détection quantique.
Dans le contexte actuel d'accélération de la compétition internationale en informatique quantique, ce résultat de l'équipe de Harvard établit une base expérimentale pour le domaine émergent de « l'interconnexion quantique acoustique ». Actuellement, plusieurs laboratoires nationaux à travers le monde ont lancé des programmes de recherche sur les interfaces quantiques acoustiques à l'état solide, et il est prévu que dans les deux prochaines années, des prototypes de transducteurs et de répéteurs quantiques basés sur l'effet Purcell acoustique entreront successivement en phase de validation de principe.