Les physiciens du MIT, inspirés par les écouteurs antibruit, ont multiplié par 20 le temps de cohérence des bits quantiques, marquant un progrès significatif pour l’informatique quantique. L’équipe a utilisé une technique « d’écho déséquilibré » pour contrecarrer le bruit du système et pense que d’autres améliorations sont possibles. Cette avancée présente un vaste potentiel, depuis les capteurs quantiques en biologie jusqu’aux progrès de la mémoire quantique.
Des chercheurs du MIT développent un protocole pour prolonger la durée de vie de la cohérence quantique.
Pendant des années, les chercheurs ont essayé diverses façons d’amadouer les bits quantiques – ou qubits, les éléments de base des ordinateurs quantiques – pour qu’ils restent dans leur état quantique pendant des périodes toujours plus longues, une étape clé dans la création de dispositifs tels que les capteurs quantiques, les gyroscopes et les mémoires. .
Une équipe de physiciens de MIT ont fait un pas en avant important dans cette quête, et pour ce faire, ils ont emprunté un concept à une source improbable : les écouteurs antibruit.
Dirigé par Ju Li, professeur de génie nucléaire de Battelle Energy Alliance et professeur de science et d’ingénierie des matériaux, et Paola Cappellaro, professeur d’ingénierie Ford au Département de science et d’ingénierie nucléaires et laboratoire de recherche en électronique et professeur de physique, l’équipe a décrit une méthode permettant de multiplier par 20 les temps de cohérence des qubits de spin nucléaire. Le travail est décrit dans un article publié dans Lettres d’examen physique. Le premier auteur de l’étude est Guoqing Wang PhD ’23, un récent doctorant dans le laboratoire de Cappellaro qui est maintenant postdoctorant au MIT.
Ce capteur quantique du MIT Quantum Engineering Group est basé sur des centres NV en diamant. Il a été conçu et construit par l’équipe de recherche. Crédit : Photo gracieuseté des chercheurs
« C’est l’un des principaux problèmes de l’information quantique », explique Li. « Les (ensembles) de spin nucléaires sont des plates-formes très attractives pour les capteurs quantiques, les gyroscopes et la mémoire quantique, (mais) ils ont des temps de cohérence de l’ordre de 150 microsecondes en présence de spins électroniques… et ensuite l’information disparaît. Ce que nous avons montré, c’est que si nous pouvons comprendre les interactions, ou le bruit, dans ces systèmes, nous pouvons en réalité faire bien mieux.
Étendre la cohérence avec un « écho déséquilibré »
De la même manière que les écouteurs antibruit utilisent des fréquences sonores spécifiques pour filtrer le bruit environnant, l’équipe a développé une approche qu’elle a surnommée « écho déséquilibré » pour prolonger le temps de cohérence du système.
En caractérisant comment une source particulière de bruit – dans ce cas, la chaleur – affectait les interactions quadripolaires nucléaires dans le système, l’équipe a pu utiliser cette même source de bruit pour compenser les interactions nucléaire-électron, prolongeant les temps de cohérence de 150 microsecondes à aussi peu que possible. pendant 3 millisecondes.
Ces améliorations ne sont toutefois peut-être qu’un début. D’autres progrès pourraient être possibles, déclare Wang, premier auteur de l’étude qui a élaboré le protocole de protection, alors qu’ils explorent d’autres sources possibles de bruit.
« En théorie, nous pourrions même l’améliorer jusqu’à des centaines, voire des milliers de fois plus longtemps. Mais en pratique, il peut y avoir d’autres sources de bruit dans le système, et ce que nous avons montré, c’est que si nous pouvons les décrire, nous pouvons les annuler.
L’article aura un « impact significatif » sur les futurs travaux sur les dispositifs quantiques, déclare Dmitry Budker, chef de la section matière-antimatière de l’Institut Helmholtz de Mayence, professeur à l’Université Johannes Gutenberg et à l’Université de Californie à Berkeley, qui n’a pas été informé. impliqués dans la recherche.
«(Ce groupe est) le leader mondial dans le domaine de la détection quantique», dit-il. « Ils inventent constamment de nouvelles approches pour stimuler les développements dans ce domaine en plein essor. Dans ce travail, ils démontrent un moyen pratique d’allonger le temps de cohérence nucléaire d’un ordre de grandeur grâce à une technique ingénieuse d’écho de spin qui devrait être relativement simple à mettre en œuvre dans des applications.
Gregory Fuchs, professeur de physique appliquée et d’ingénierie à l’Université Cornell, qualifie le travail de « innovant et percutant ».
« Ce (travail) est important car, même si les spins nucléaires peuvent en principe avoir des durées de vie de cohérence beaucoup plus longues que les spins électroniques natifs des centres NV, il a été difficile pour quiconque d’observer des ensembles de spins nucléaires à longue durée de vie dans les expériences des centres NV en diamant. » il dit. « Ce que le professeur Cappellaro et ses étudiants ont montré est une stratégie plutôt inattendue pour y parvenir. Cette approche peut avoir un grand impact pour les applications d’ensembles de spins nucléaires, comme pour la détection de rotation (un gyroscope).
Construire un capteur utilisant « 10 milliards d’horloges »
Les expériences et les calculs décrits dans l’article portent sur un vaste ensemble – environ 10 milliards – d’impuretés à l’échelle atomique dans le diamant, connues sous le nom de centres de lacunes d’azote, ou centres NV, dont chacun existe dans un état de spin quantique spécifique pour l’azote-14. noyau, ainsi qu’un électron localisé à proximité.
Bien qu’ils soient identifiés depuis longtemps comme des candidats idéaux pour les capteurs quantiques, les gyroscopes, les mémoires, etc., le défi, explique Wang, consistait à trouver un moyen de faire travailler ensemble de grands ensembles de centres NV.
« Si vous considérez chaque rotation comme une horloge, ces 10 milliards d’horloges sont toutes légèrement différentes… et vous ne pouvez pas toutes les mesurer individuellement », explique Wang. « Ce que nous constatons, c’est que lorsque vous préparez toutes ces horloges, elles sont initialement synchronisées les unes avec les autres au début, mais après un certain temps, elles perdent complètement leur phase. Nous appelons cela leur temps de déphasage.
« L’objectif est d’utiliser un milliard d’horloges tout en obtenant le même temps de déphasage qu’avec une seule horloge », poursuit-il. « Cela vous permet d’obtenir des améliorations en mesurant plusieurs horloges, tout en préservant la cohérence de phase, de sorte que vous ne perdez pas vos informations quantiques aussi rapidement. »
La théorie sous-jacente du déphasage induit par l’hétérogénéité de la température, qui concerne les propriétés des matériaux, a été décrite pour la première fois en mars par une équipe de chercheurs comprenant Li, Cappellaro, Wang et d’autres étudiants diplômés du MIT. Ce document, publié dans le Journal de lettres de chimie physiqueont décrit une approche théorique pour calculer comment la température et la déformation affectent différents types d’interactions pouvant conduire à une décohérence.
La première, connue sous le nom d’interaction quadripolaire nucléaire, se produit parce que le noyau d’azote agit comme un dipôle nucléaire imparfait – essentiellement un aimant subatomique. Parce que le noyau n’est pas parfaitement sphérique, explique Wang, il se déforme, perturbant le dipôle, qui interagit effectivement avec lui-même. De même, l’interaction hyperfine est le résultat de l’interaction du dipôle magnétique du noyau avec le dipôle magnétique électronique voisin. Ces deux types d’interactions peuvent varier spatio-temporellement, et lorsqu’on considère un ensemble de qubits de spin nucléaire, un déphasage peut se produire puisque « les horloges situées à différents endroits peuvent avoir des phases différentes ».
Sur la base de leur article précédent, l’équipe a émis l’hypothèse que, si elle pouvait caractériser la manière dont ces interactions étaient affectées par la chaleur, elle serait en mesure de compenser l’effet et de prolonger les temps de cohérence du système.
« La température ou la contrainte affecte ces deux interactions », explique Wang. « La théorie que nous avons décrite prévoyait comment la température ou la déformation affecterait le quadripôle et l’hyperfin, puis l’écho déséquilibré que nous avons développé dans ce travail annule essentiellement la dérive spectrale due à une interaction physique utilisant une autre interaction physique différente, en utilisant leur corrélation induite par le même bruit.
La principale nouveauté de ce travail, par rapport aux techniques d’écho de spin existantes couramment utilisées dans la communauté quantique, est d’utiliser différents bruits d’interaction pour s’annuler les uns les autres, de sorte que les bruits à annuler puissent être très sélectifs. « Ce qui est passionnant, cependant, c’est que nous pouvons utiliser ce système d’autres manières », poursuit-il. « Nous pourrions donc utiliser cela pour détecter la température ou l’hétérogénéité spatio-temporelle du champ de contrainte. Cela pourrait être très bénéfique pour des systèmes comme les systèmes biologiques, où même un changement de température très infime pourrait avoir des effets significatifs.
Applications potentielles et avenir
Selon Wang, ces applications ne font qu’effleurer la surface des applications potentielles du système.
« Ce système pourrait également être utilisé pour examiner les courants électriques dans les véhicules électriques et, comme il peut mesurer les champs de contrainte, il pourrait être utilisé pour une évaluation non destructive de l’état des structures », explique Li. « Vous pourriez imaginer un pont, s’il y avait ces capteurs, nous pourrions comprendre quel type de contrainte il subit. En fait, les capteurs en diamant sont déjà utilisés pour mesurer la répartition de la température à la surface des matériaux, car il peut s’agir d’un capteur très sensible à haute résolution spatiale.
Selon Li, une autre application pourrait concerner la biologie. Les chercheurs ont déjà démontré que l’utilisation de capteurs quantiques pour cartographier l’activité neuronale à partir de champs électromagnétiques pourrait offrir des améliorations potentielles, permettant une meilleure compréhension de certains processus biologiques.
Le système décrit dans l’article pourrait également représenter un pas en avant significatif pour la mémoire quantique.
Bien qu’il existe certaines approches pour prolonger le temps de cohérence des qubits destinés à être utilisés dans la mémoire quantique, ces processus sont complexes et impliquent généralement un « retournement » – ou une inversion de la rotation – des centres NV. Bien que ce processus vise à inverser la dérive spectrale qui provoque la décohérence, il entraîne également la perte de toutes les informations codées dans le système.
En éliminant la nécessité d’inverser la rotation, le nouveau système prolonge non seulement le temps de cohérence des qubits, mais évite également la perte de données, une avancée clé pour l’informatique quantique.
À l’avenir, l’équipe prévoit d’étudier d’autres sources de bruit – telles que les interférences fluctuantes des champs électriques – dans le système, dans le but de les neutraliser afin d’augmenter encore le temps de cohérence.
« Maintenant que nous avons obtenu une amélioration de 20 fois, nous cherchons comment l’améliorer encore davantage, car intrinsèquement, cet écho déséquilibré peut atteindre une amélioration presque infinie », explique Li. « Nous étudions également comment appliquer ce système à la création d’un gyroscope quantique, car le temps de cohérence n’est qu’un paramètre clé dans la construction d’un gyroscope, et nous essayons d’optimiser d’autres paramètres pour (comprendre) la sensibilité. nous pouvons réaliser par rapport aux techniques précédentes.
Ce travail a été soutenu en partie par le programme DRINQS de la Defense Advanced Research Projects Agency, la National Science Foundation et la Defense Threat Reduction Agency Interaction of Ionizing Radiation with Matter University Research Alliance. Les calculs de ce travail ont été effectués en partie sur le Texas Advanced Computing Center et le cluster engageant du MIT.
