Des chercheurs suisses dévoilent un nouveau type de qubit

Une équipe de chercheurs suisses a découvert que les points quantiques de graphène bicouche pourraient héberger un nouveau type prometteur de bit quantique basé sur les états de vallée. Cette découverte pourrait avoir des implications significatives pour l’avenir de l’informatique quantique.

En informatique quantique, la question de savoir quel système physique, et quels degrés de liberté au sein de ce système, peuvent être utilisés pour coder les bits d’information quantique – les qubits, en abrégé – est au cœur de nombreux projets de recherche menés dans les laboratoires de physique et d’ingénierie.

Les qubits supraconducteurs, les qubits de spin et les qubits codés dans le mouvement des ions piégés sont déjà largement reconnus comme des candidats de premier plan pour les futures applications pratiques des ordinateurs quantiques.

Le potentiel du graphène bicouche

Dr Rebekka Garreis, Dr Chuyao Tong, Dr Wister Huang et leurs collègues du groupe des professeurs Klaus Ensslin et Thomas Ihn du département de physique de l’ETH Zurich ont étudié les points quantiques de graphène bicouche (BLG), connus comme une plateforme potentielle pour les qubits de spin, pour découvrir si un autre degré de liberté du BLG peut être utilisé pour coder l’information quantique.

Leurs dernières découvertes, publiées dans Nature Physics avec des collaborateurs de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon, montrent que le soi-disant degré de liberté de la vallée dans le BLG est associé à des états quantiques extrêmement durables et mérite donc d’être considéré comme une ressource supplémentaire pour l’informatique quantique à l’état solide.

La structure en treillis du graphène

Le graphène est un matériau bidimensionnel constitué d’une seule couche d’atomes de carbone liés dans une structure de treillis hexagonale. Son apparence en feuille est trompeuse, car le graphène est l’un des matériaux les plus résistants sur Terre ; ses propriétés mécaniques et électroniques sont d’un grand intérêt pour de nombreux secteurs industriels.

Dans le graphène bicouche, le système utilisé par les chercheurs, deux feuilles d’atomes de carbone se superposent. Le graphène et le BLG sont des semi-métaux, car ils ne possèdent pas le gap énergétique caractéristique que l’on trouve dans les semi-conducteurs et, surtout, dans les isolants. Néanmoins, un gap énergétique réglable peut être créé dans le BLG en appliquant un champ électrique perpendiculairement au plan des feuilles.

Les promesses de la vallée

Garreis, Tong et leurs collègues ont considéré un double point quantique – c’est-à-dire deux points avec un couplage réglable – dans le BLG et ont mesuré le temps de relaxation pour les états de vallée et de spin. Le temps de relaxation définit l’échelle temporelle sur laquelle le système passe d’un état de vallée ou de spin à un autre et, à la suite du processus de relaxation, perd son énergie et devient inadapté pour d’autres opérations de qubit.

L’équipe de recherche a constaté que les états de vallée ont des temps de relaxation dépassant une demi-seconde, un résultat qui indique des propriétés de cohérence prometteuses pour les futurs qubits de vallée. La mesure du temps de relaxation du spin dans le double point quantique de BLG donne une valeur inférieure à 25 microsecondes, ce qui est beaucoup plus court que le temps de relaxation pour les états de vallée mais est en bon accord avec les temps de relaxation du spin mesurés dans les points quantiques de semi-conducteurs.

En synthèse

Les recherches ont mis en évidence le potentiel des points quantiques de graphène bicouche pour héberger un nouveau type de bit quantique basé sur les états de vallée. Ces états présentent des temps de relaxation extrêmement longs, ce qui les rend prometteurs pour l’informatique quantique à l’état solide.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le graphène bicouche ?

Le graphène bicouche est un système dans lequel deux feuilles d’atomes de carbone se superposent. Il est connu comme une plateforme potentielle pour les qubits de spin.

Qu’est-ce qu’un qubit de vallée ?

Un qubit de vallée est un type de bit quantique qui utilise le degré de liberté de la vallée dans le graphène bicouche pour coder l’information quantique.

Qu’est-ce que le temps de relaxation ?

Le temps de relaxation définit l’échelle temporelle sur laquelle le système passe d’un état de vallée ou de spin à un autre. Après le processus de relaxation, le système perd son énergie et devient inadapté pour d’autres opérations de qubit.

Pourquoi les états de vallée sont-ils prometteurs pour l’informatique quantique ?

Les états de vallée ont des temps de relaxation dépassant une demi-seconde, ce qui indique des propriétés de cohérence prometteuses pour les futurs qubits de vallée.

Quels sont les défis à relever pour l’utilisation des qubits de vallée ?

Une compréhension plus complète des mécanismes affectant les temps de relaxation de la vallée et du spin est nécessaire pour identifier les variables qui peuvent être les plus efficaces pour manipuler les futurs qubits de vallée.

Références

Légende illustration : Dans le double point quantique BLG utilisé dans ce travail, les électrons (les sphères bleues) ont à la fois un moment angulaire intrinsèque (spin, donné par les flèches à travers les sphères) et un pseudo-spin (vallée, donné par les anneaux tournant dans des directions opposées). (Image : ETH Zurich/Chuyao Tong)

Garreis, R., Tong, C., Huang, W., et al. (2024). Long-lived valley states in bilayer graphene quantum dots. Nature Physics. s41567-023-0123-7