Selon une étude récente publiée dans la revue Nature, une équipe de recherche de la Louisiana State University (LSU) aux États-Unis a développé avec succès le premier matériau quantique au monde capable de fonctionner dans un environnement à température ambiante. Ce matériau peut identifier avec précision la lumière dans différents états quantiques et la shunter et la transmettre de manière stable le long de différents chemins. Ce résultat révolutionnaire crée non seulement une nouvelle stratégie de conception de matériaux quantiques, mais ouvre également la voie à de futures applications pratiques dans des domaines tels que l'informatique quantique, les communications liées à la sécurité de l'information, la détection à haute sensibilité et les énergies renouvelables.
Dans la recherche scientifique quantique traditionnelle, la plupart des matériaux quantiques doivent présenter des propriétés quantiques particulières dans un environnement à température extrêmement basse, proche du zéro absolu. Les violentes vibrations des atomes provoquées par les effets thermiques à température ambiante peuvent facilement détruire les effets quantiques fragiles. Il est donc généralement nécessaire de recourir à de grands et coûteux systèmes de réfrigération à l'azote liquide ou à l'hélium liquide. Ce goulot d’étranglement technique empêche sérieusement la technologie quantique d’entrer en laboratoire dans la vie quotidienne.
Afin de surmonter ce problème, l'équipe de recherche a abandonné la voie traditionnelle consistant à trouver des matériaux naturels dans la nature et a plutôt adopté l'idée de « construire à partir de zéro ». Les chercheurs ont appliqué un film d'or très fin sur la surface du copeau de verre et ont utilisé la technologie du faisceau d'ions focalisé pour découper avec précision des centaines de micro-ouvertures sur le film d'or. Ces ouvertures jouent fonctionnellement le rôle d'« atomes artificiels » (ou superatomes) et forment ensemble un « métacristal plasmonique statistique quantique » moins épais qu'un cheveu humain et n'existe pas dans la nature.
Lorsque la lumière frappe la puce et se propage à la surface du film d’or, les chercheurs peuvent obtenir un contrôle raffiné des photons en contrôlant avec précision la taille, la géométrie et l’espacement des superatomes. Contrairement aux appareils précédents qui ne peuvent diviser la lumière qu'en fonction de la longueur d'onde ou de la luminosité, ce supercristal peut identifier directement les minuscules différences statistiques quantiques entre les photons et guider automatiquement différents états quantiques vers différents chemins de transmission, comme un « filtre statistique ».
Plus important encore, le matériau permet un « transport robuste » à température ambiante, c'est-à-dire que l'état quantique peut conserver ses informations de base et sa cohérence quantique pendant le processus de transmission, et ne sera pas facilement atténué par le bruit thermique environnemental.
L’équipe de recherche a souligné que l’importance de cette réalisation réside non seulement dans la création d’un échantillon de matériau haute performance, mais également dans l’établissement d’un cadre de conception de matériaux quantiques évolutif. En modifiant la disposition des superatomes, les chercheurs peuvent personnaliser artificiellement la « bande d'énergie statistique quantique » du matériau, tout comme la conception de la bande d'énergie d'un semi-conducteur, puis décider quels états quantiques sont autorisés à passer ou à subir des conversions spécifiques selon les besoins.
À l’avenir, ce type de matériau quantique qui ne nécessite pas de refroidissement cryogénique devrait grandement simplifier la structure interne des ordinateurs quantiques et réduire le coût de construction des réseaux de communication quantique. En outre, l'équipe de recherche prévoit également d'appliquer ce matériau à des domaines d'énergie propre tels que les cellules solaires, en guidant avec précision la lumière afin de réduire la perte d'énergie lumineuse convertie en énergie thermique inutile, améliorant ainsi efficacement l'efficacité de conversion photoélectrique des cellules solaires.