Défier le dogme quantique : le succès surprenant des qubits denses à semi-conducteurs

Qubits à l’état solide : oubliez la propreté et adoptez le désordre, selon une nouvelle recette pour des réseaux denses de qubits avec de longues durées de vie.

De nouvelles découvertes démystifient l’idée reçue selon laquelle les qubits à l’état solide doivent être extrêmement dilués dans un matériau ultra-propre pour atteindre une longue durée de vie. Au lieu de cela, entasser beaucoup d’ions de terres rares dans un cristal et certains formeront des paires qui agiront comme des qubits hautement cohérents, montre un article publié dans Physique naturelle.

Lignes épurées et minimalisme, ou shabby chic vintage ? Il s’avère que les mêmes tendances qui occupent le monde du design d’intérieur sont importantes lorsqu’il s’agit de concevoir les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques.

Comment créer des qubits qui conservent leurs informations quantiques suffisamment longtemps pour être utiles est l’un des principaux obstacles à la mise en œuvre pratique. l’informatique quantique. Il est largement admis que la propreté est la clé des qubits à longue durée de vie, ou « cohérences ». Les qubits perdent des informations quantiques via un processus appelé décohérence lorsqu’ils commencent à interagir avec leur environnement. Ainsi, selon la sagesse conventionnelle, éloignez-les les uns des autres et des autres influences perturbatrices et, espérons-le, ils survivront un peu plus longtemps.

En pratique, une telle approche « minimaliste » de la conception des qubits est problématique. Trouver des matériaux ultra-purs adaptés n’est pas facile. De plus, la dilution des qubits à l’extrême rend difficile la mise à l’échelle de toute technologie résultante. Aujourd’hui, des résultats surprenants de chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI, de l’ETH Zurich et de l’EPFL montrent comment des qubits à longue durée de vie peuvent exister dans un environnement encombré.

« À long terme, comment intégrer une puce est une question universellement discutée pour tous les types de qubits. Au lieu de diluer toujours plus, nous avons démontré une nouvelle voie par laquelle nous pouvons rapprocher les qubits», déclare Gabriel Aeppli, chef de la division Photon Science au PSI et professeur à l’ETH Zürich et à l’EPFL, qui a dirigé l’étude.

Ramasser les pierres précieuses de la ferraille

Les chercheurs ont créé des qubits à l’état solide à partir du terbium, un métal des terres rares, dopé dans des cristaux de fluorure d’yttrium et de lithium. Ils ont montré qu’à l’intérieur d’un cristal rempli d’ions de terres rares se trouvaient des qubits avec des cohérences beaucoup plus longues que ce à quoi on pourrait généralement s’attendre dans un système aussi dense.

« Pour une densité donnée de qubits, nous montrons qu’il est beaucoup plus efficace d’ajouter des ions de terres rares et de récupérer les pierres précieuses des déchets, plutôt que d’essayer de séparer les ions individuels les uns des autres par dilution », explique Markus. Müller, dont les explications théoriques étaient essentielles à la compréhension d’observations embarrassantes.

Comme les bits classiques qui utilisent 0 ou 1 pour stocker et traiter les informations, les qubits utilisent également des systèmes qui peuvent exister dans deux états, mais avec possibilité de superpositions. Lorsque des qubits sont créés à partir d’ions de terres rares, une propriété de chaque ion – telle que le spin nucléaire, qui peut pointer vers le haut ou vers le bas – est généralement utilisée comme système à deux états.

Le jumelage offre une protection

La raison pour laquelle l’équipe a pu obtenir un tel succès avec une approche radicalement différente est que, plutôt que d’être formés d’ions uniques, leurs qubits sont formés de paires d’ions en forte interaction. Au lieu d’utiliser le spin nucléaire d’ions uniques, les paires forment des qubits basés sur des superpositions de différents états de couches électroniques.

Dans la matrice du cristal, seuls quelques ions terbium forment des paires. « Si vous jetez beaucoup de terbium dans le cristal, vous obtiendrez par hasard des paires d’ions – nos qubits. Ceux-ci sont relativement rares, donc les qubits eux-mêmes sont assez dilués », explique Adrian Beckert, auteur principal de l’étude.

Alors pourquoi ces qubits ne sont-ils pas perturbés par leur environnement désordonné ? Il s’avère que ces pierres précieuses, de par leurs propriétés physiques, sont à l’abri des déchets. Parce qu’ils ont une énergie caractéristique différente avec laquelle ils fonctionnent, ils ne peuvent pas échanger d’énergie avec les ions terbium individuels – en substance, ils sont aveugles à ces derniers.

« Si vous effectuez une excitation sur un seul terbium, celui-ci peut facilement passer à un autre terbium, provoquant une décohérence », explique Müller. « Cependant, si l’excitation concerne une paire de terbium, son état est intriqué, donc elle vit à une énergie différente et ne peut pas sauter vers les terbiums individuels. Il lui faudrait trouver une autre paire, mais ce n’est pas possible car la suivante est très loin.

Pleins feux sur les qubits

Les chercheurs sont tombés sur le phénomène des paires de qubits en sondant le fluorure d’yttrium et de lithium dopé au terbium par spectroscopie micro-ondes. L’équipe utilise également la lumière pour manipuler et mesurer les effets quantiques dans les matériaux, et le même type de qubits devrait fonctionner aux fréquences plus élevées de la lumière laser optique. Ceci est intéressant car les métaux des terres rares possèdent des transitions optiques qui facilitent l’entrée de la lumière. «À terme, notre objectif est d’utiliser également la lumière du laser à électrons libres à rayons X SwissFEL ou Swiss Light Source. SLS pour assister au traitement de l’information quantique », explique Aeppli. Cette approche pourrait être utilisée pour lire des ensembles entiers de qubits avec la lumière des rayons X.

En attendant, le terbium constitue un choix de dopant intéressant : il peut être facilement excité par les fréquences de la gamme des micro-ondes utilisées pour les télécommunications. C’est lors de tests d’écho de spin – une technique bien établie pour mesurer les temps de cohérence – que l’équipe a remarqué de drôles de pics, correspondant à des cohérences bien plus longues que celles des ions uniques. « Il y avait quelque chose d’inattendu qui se cachait », se souvient Beckert. Grâce à d’autres expériences de spectroscopie micro-ondes et à une analyse théorique minutieuse, ils pourraient les distinguer comme des états de paire.

« Avec le bon matériel, la cohérence pourrait être encore plus longue. »

En approfondissant la nature de ces qubits, les chercheurs ont pu comprendre les différentes manières dont ils étaient protégés de leur environnement et chercher à les optimiser. Bien que les excitations des paires de terbium puissent être bien protégées de l’influence d’autres ions terbium, les spins nucléaires d’autres atomes du matériau pourraient toujours interagir avec les qubits et provoquer leur décohérence.

Pour protéger davantage les qubits de leur environnement, les chercheurs ont appliqué un champ magnétique au matériau qui a été réglé pour annuler exactement l’effet du spin nucléaire du terbium dans les paires. Cela a abouti à des états de qubit essentiellement non magnétiques, qui n’étaient que très peu sensibles au bruit des spins nucléaires des atomes « indésirables » environnants.

Une fois ce niveau de protection inclus, les paires de qubits avaient une durée de vie jusqu’à cent fois plus longue que celle des ions uniques dans le même matériau.

« Si nous avions cherché des qubits basés sur des paires de terbium, nous n’aurions pas choisi un matériau comportant autant de spins nucléaires », explique Aeppli. « Cela montre à quel point cette approche peut être puissante. Avec le bon matériel, la cohérence pourrait être encore plus longue. Forts de la connaissance de ce phénomène, les chercheurs vont désormais optimiser la matrice.