Une étude, dont les résultats intitulés «Deterministic coupling of delta-doped nitrogen vacancy centers to a nanobeam photonic crystal cavity» ont été publiés dans la revue Applied Physics Letters, a permis d'amplifier de manière significative le signal lumineux émis par des impuretés du réseau cristallin du diamant, dénommés centres NV (pour Nitrogen Vacancy), ce qui constitue une avancée dans le développement de l’ordinateur quantique.

Ces impuretés, qui sont en fait constituées d’un atome d’azote et d’une lacune d’atome qui remplace deux atomes de carbone adjacents, pourraient être très utiles dans le cadre de la réalisation d'ordinateurs quantiques en permettant d’enregistrer des informations qui sont transmises sous forme de lumière.

Plus précisément, ces centres NV sont des émetteurs, qui lorsqu'ils sont frappés, selon une incidence bien précise, par un faisceau lumineux, renvoient un signal contenant une information utile. Ainsi, un centre NV, éclairé par un laser, «émet une lumière dont l’intensité à une fréquence spécifique, caractéristique de l’état du spin de son électron non apparié» («dont le temps de cohérence peut atteindre la seconde»).

Comme, à température ambiante, «la lumière émise par le centre NV se mêle à des émissions parasites», le signal utile, relativement faible en proportion, reste «difficile à identifier et à extraire». Pour devenir vraiment exploitable, il doit être amplifié au moyen d'une cavité photonique qui est une structure présentant un motif périodique de trous nanométriques.

Grâce à cette cavité photonique qui améliore «l’émission de lumière des centres NV à leur fréquence principale», le signal émis par le centre NV serait en mesure de «tenir le rôle de qubit, unité fondamentale de l’information quantique».

Du fait que l'efficacité des cavités photoniques «dépend de la correspondance entre la localisation de défauts de taille atomique dans la structure cristalline et le pic de résonance de la cavité», l'étude ici présentée a mis en œuvre une technique «appelée dopage delta» qui a réduit «l’incertitude sur la localisation des centres NV dans une couche de 200 nanomètres de diamant, à une épaisseur de seulement 6 nanomètres».

Ensuite, une cavité photonique spécifique, conçue sur cette base, a amplifié «l’intensité de la lumière émise par les centres NV d’un facteur 30». De plus, cette performance devrait pouvoir encore être améliorée par la suite «en localisant les défauts dans le plan horizontal, en d’autres mots, en précisant la structure 3D du cristal de diamant impur».

Notons enfin que les centres NV pourraient, en dehors de l’ordinateur quantique, également servir, à l’échelle moléculaire, à produire des capteurs magnétiques et de température qui «donneraient accès à des mesures de caractéristiques de cellules individuelles».