À l’instar de nombreuses technologies, les nouveaux dispositifs quantiques reposent grandement sur les matériaux dont le contrôle de la structure ou encore des propriétés n’est pas toujours maîtrisé. Ceci est d’autant plus vrai pour les matériaux de basse dimension aux propriétés uniques qui occupent pourtant une place centrale dans les recherches au niveau international pour initier le développement des technologies quantiques.
Dans ce contexte si concurrentiel, l’ONERA dispose de réels atouts et cherche ainsi à capitaliser son expertise dans les nanomatériaux (nanotubes, matériaux 2D et leurs hétérostructures) et dans la fiabilité de dispositifs sous environnement radiatif pour les applications quantiques de deuxième génération.
Plus précisément, les sujets de recherche suivants sont développés en couplant approches expérimentales (synthèse/fabrication et caractérisation) et théoriques à l’échelle atomique :
- Synthèse de BN 2D optimisée pour dispositifs optoélectroniques
Le nitrure de bore hybridé sp2 s’est imposé comme un matériau indispensable dans la famille des matériaux 2D et leurs heterostructures, grâce à la nature de sa structure lamellaire et son large gap électronique (> 6 eV). La démonstration a été ainsi faite que les feuillets de BN, plans atomiquement, utilisés en support ou en couche encapsulante préservent idéalement les propriétés des matériaux 2D pour divers dispositifs optoélectroniques. Dans ce cadre, l’ONERA a mis en place depuis plusieurs années un protocole de synthèse permettant de faire croître des couches continues monorientées de BN sur des pseudosubstrats de Ni monocristallins. L’enjeu est maintenant de comprendre de façon fine les mécanismes de croissance en jeu, pour identifier les paramètres qui permettent de contrôler de façon déterministe la synthèse des couches. Un effort particulier sera porté à corréler la qualification de la qualité structurale des couches par les techniques de microscopie électronique et les techniques de spectroscopie optique applicables jusqu’aux dispositifs.
- Ingénierie des défauts du BN pour le quantique de deuxième génération
Les matériaux 2D sont attendus comme étant des excellents candidats pour les dispositifs quantiques de deuxième génération à cause de la grande stabilité thermique et chimique de leurs défauts, de la facilité d’extraction des signaux, du haut niveau de miniaturisation qui permettraient et de la forte sensibilité à l’environnement proche (modulation par proximité et capteurs). Parmi les défauts, nos efforts de recherche se focalisent sur le BN et plus particulièrement (i) sur l’empilement de deux couches twistés donnant lieu à un état à deux niveaux robuste ou encore (ii) l’ingénierie de défauts ponctuels comme source de photons uniques.
- Les nanotubes de carbone : un candidat idéal pour les QUBITS
L'informatique quantique est une technologie en plein développement qui cherche à exploiter le principe de superposition issue de la mécanique quantique pour résoudre des problèmes jusqu’ici trop complexes pour les ordinateurs actuels. Dans ce cadre, les nanotubes de carbone sont envisagés avec pour principal atout de confiner une charge dans un environnement solide améliorant ainsi la protection des électrons piégés et le temps de cohérence des qubits. Parmi les défis que l’ONERA cherche à surmonter pour le développement d’une informatique quantique à base de nanotubes de carbone, le principal repose sur l’utilisation de tubes dont la structure (diamètre, hélicité) est parfaitement contrôlée pour obtenir ainsi des nano-objets aux propriétés électroniques définies.
- La fiabilité des QUBITS en environnement radiatif naturel
À la différence d'un calculateur classique, basé sur des transistors travaillant sur des données binaires (codées sur des bits, valant 0 ou 1), le calculateur quantique travaille sur des QUBITS dont l'état quantique peut posséder plusieurs valeurs, ou plus précisément une valeur quantique comportant plusieurs possibilités simultanées. Actuellement, le paramètre critique pour la fiabilité de ces dispositifs est le temps de rétention de l’information traitée. Ce temps peut être fortement perturbé par l’environnement proche du calculateur : température, radiations. Dans ce contexte, l’ONERA cherche à déterminer la contribution des radiations cosmiques sur la fiabilité des QUBITS en identifiant les mécanismes physiques perturbant le comportement nominal des paires de Cooper dans les matériaux supraconducteur tel que l’aluminium et nanotubes de carbone.