Une équipe internationale de scientifiques a fait un bond en avant dans la préservation de la cohérence quantique des qubits de spin de points quantiques dans le cadre de la poussée mondiale pour les réseaux quantiques pratiques et les ordinateurs quantiques.
Ces technologies transformeront un large éventail d’industries et d’efforts de recherche : de la sécurité du transfert d’informations, en passant par la recherche de matériaux et de produits chimiques aux propriétés nouvelles, aux mesures de phénomènes physiques fondamentaux nécessitant une synchronisation temporelle précise entre les capteurs.
Les interfaces spin-photon sont des briques élémentaires pour les réseaux quantiques qui permettent de convertir des informations quantiques stationnaires (telles que l’état quantique d’un ion ou un qubit de spin à l’état solide) en lumière, à savoir des photons, qui peuvent être distribués sur de grandes distances. Un défi majeur est de trouver une interface qui soit à la fois efficace pour stocker l’information quantique et efficace pour la convertir en lumière.
Les points quantiques semi-conducteurs optiquement actifs sont l’interface spin-photon la plus efficace connue à ce jour, mais l’extension de leur temps de stockage au-delà de quelques microsecondes a intrigué les physiciens malgré des efforts de recherche de plusieurs décennies. Maintenant, des chercheurs de l’Université de Cambridge, de l’Université de Linz et de l’Université de Sheffield ont montré qu’il existe une solution matérielle simple à ce problème qui améliore le stockage des informations quantiques au-delà de la centaine de microsecondes.
Les points quantiques sont des structures cristallines constituées de plusieurs milliers d’atomes. Chacun des noyaux de ces atomes a un moment dipolaire magnétique qui se couple à l’électron du point quantique et peut entraîner la perte d’informations quantiques stockées dans le qubit d’électrons. La découverte de l’équipe de recherche, rapportée dans Nanotechnologie de la nature, est que dans un dispositif construit avec des matériaux semi-conducteurs qui ont le même paramètre de réseau, les noyaux « sentaient » le même environnement et se comportaient à l’unisson. En conséquence, il est désormais possible de filtrer ce bruit nucléaire et d’obtenir une amélioration de près de deux ordres de grandeur du temps de stockage.
« Il s’agit d’un régime complètement nouveau pour les points quantiques optiquement actifs où nous pouvons désactiver l’interaction avec les noyaux et recentrer le spin de l’électron encore et encore pour maintenir son état quantique en vie », a déclaré Claire Le Gall du laboratoire Cavendish de Cambridge, qui a dirigé le projet.
« Nous avons démontré des centaines de microsecondes dans notre travail, mais vraiment, maintenant que nous sommes dans ce régime, nous savons que des temps de cohérence beaucoup plus longs sont à portée de main. Pour les spins dans les points quantiques, les temps de cohérence courts étaient le plus grand obstacle aux applications, et cette découverte offre une solution claire et simple à cela. »
En explorant pour la première fois les échelles de temps de la centaine de microsecondes, les chercheurs ont été agréablement surpris de constater que l’électron ne voit que le bruit des noyaux, par opposition, par exemple, au bruit électrique dans l’appareil. C’est vraiment une excellente position car l’ensemble nucléaire est un système quantique isolé et l’électron cohérent sera une passerelle vers les phénomènes quantiques dans un grand ensemble de spins nucléaires.
Une autre chose qui a surpris les chercheurs était le « son » capté par les noyaux. Ce n’était pas aussi harmonieux que prévu initialement, et il y a place pour d’autres améliorations dans la cohérence quantique du système grâce à une ingénierie des matériaux plus poussée.
« Lorsque nous avons commencé à travailler avec le système de matériaux adaptés au réseau utilisé dans ce travail, obtenir des points quantiques avec des propriétés bien définies et une bonne qualité optique n’était pas facile », explique Armando Rastelli, co-auteur de cet article à l’Université de Linz. .
« Il est très gratifiant de voir qu’une ligne de recherche initialement motivée par la curiosité sur un système plutôt « exotique » et la persévérance des membres qualifiés de l’équipe Santanu Manna et Saimon Covre da Silva ont conduit aux dispositifs à la base de ces résultats spectaculaires. Maintenant, nous savons à quoi servent nos nanostructures, et nous sommes ravis de la perspective de poursuivre l’ingénierie de leurs propriétés avec nos collaborateurs. »
« L’une des choses les plus excitantes de cette recherche est d’apprivoiser un système quantique complexe : cent mille noyaux se couplant fortement à un spin électronique bien contrôlé », explique Cavendish Ph.D. étudiant, Leon Zaporski, le premier auteur de l’article.
« La plupart des chercheurs abordent le problème d’isoler le qubit du bruit en supprimant toutes les interactions. Leurs qubits deviennent un peu comme des chats de Schrödinger sous sédation, qui peuvent à peine réagir à quiconque tire sur leur queue. Notre ‘chat’ prend des stimulants puissants, ce qui… en pratique, cela signifie que nous pouvons nous amuser davantage avec. »
« Les points quantiques combinent désormais une efficacité quantique photonique élevée avec de longs temps de cohérence de spin », explique le professeur Mete Atatüre, co-auteur de cet article. « Dans un avenir proche, nous envisageons que ces dispositifs permettent la création d’états lumineux intriqués pour l’informatique quantique entièrement photonique et permettent des expériences fondamentales de contrôle quantique de l’ensemble de spin nucléaire. »
Plus d’information:
Leon Zaporski et al, Refocalisation idéale d’un qubit de spin optiquement actif sous de fortes interactions hyperfines, Nanotechnologie de la nature (2023). DOI : 10.1038/s41565-022-01282-2