Des qubits hautement cohérents dans un cristal de terbium

Des scientifiques ont défié l’idée conventionnelle selon laquelle les qubits à l’état solide doivent être extrêmement dilués dans un matériau ultra-pur afin d’avoir une longue durée de vie. Au lieu de cela, ils ont découvert que l’insertion d’une grande quantité d’ions de terres rares dans un cristal peut conduire à la formation de paires qui agissent comme des qubits hautement cohérents. Cette découverte pourrait avoir des implications significatives pour le développement de l’informatique quantique.

Une approche minimaliste des qubits : un défi

La conception de qubits capables de conserver leurs informations quantiques assez longtemps pour être utiles est l’un des principaux obstacles à l’informatique quantique pratique. Il est généralement admis que la clé pour obtenir des qubits avec de longues durées de vie, ou «cohérences», réside dans la propreté.

Les qubits perdent des informations quantiques à travers un processus appelé décohérence lorsqu’ils commencent à interagir avec leur environnement. Ainsi, selon l’idée conventionnelle, il faut les éloigner les uns des autres et des autres influences perturbatrices pour qu’ils survivent un peu plus longtemps.

Une telle approche «minimaliste» de la conception des qubits est problématique. Il n’est pas facile de trouver des matériaux ultra-purs appropriés. De plus, la dilution extrême des qubits rend difficile la mise à l’échelle de toute technologie résultante. Des résultats surprenants de chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI, de l’ETH Zurich et de l’EPFL montrent comment des qubits avec de longues durées de vie peuvent exister dans un environnement encombré.

Des qubits solides à partir de terbium : une nouvelle voie

Les chercheurs ont créé des qubits à l’état solide à partir du métal des terres rares, le terbium, dopé dans des cristaux de fluorure de lithium et d’yttrium. Ils ont montré qu’au sein 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 s’attendre dans un système aussi dense.

« Pour une densité donnée de qubits, nous montrons qu’il est beaucoup plus efficace d’introduire les ions de terres rares et de choisir les meilleurs parmi les moins bons, plutôt que d’essayer de séparer les ions individuels les uns des autres par dilution », précise Markus Müller, dont les explications théoriques ont été essentielles pour comprendre les observations déroutantes.

Des paires d’ions pour une protection accrue

La raison pour laquelle l’équipe a pu avoir autant de succès avec une approche radicalement différente est que, plutôt que d’être formés à partir d’ions simples, leurs qubits sont formés à partir de paires d’ions fortement interactives. Au lieu d’utiliser le spin nucléaire d’ions simples, les paires forment des qubits basés sur des superpositions de différents états de la coquille électronique.

Dans la matrice du cristal, seuls quelques-uns des ions de terbium forment des paires. « Si vous introduisez beaucoup de terbium dans le cristal, par hasard, il y a 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.

Des qubits protégés par leurs propriétés physiques

Alors, pourquoi ces qubits ne sont-ils pas perturbés par leur environnement désordonné ? Il s’avère que ces «joyaux», de par leurs propriétés physiques, sont protégés des éléments indésirables. Parce qu’ils ont une énergie caractéristique différente à laquelle ils fonctionnent, ils ne peuvent pas échanger d’énergie avec les ions de terbium simples – en essence, ils sont aveugles à leur égard.

« Si vous créez une excitation sur un terbium simple, elle peut facilement sauter sur un autre terbium, provoquant une décohérence », indique encore Markus Müller. « Cependant, si l’excitation est sur une paire de terbium, son état est enchevêtré, donc il vit à une énergie différente et ne peut pas sauter sur les terbiums simples. Il devrait trouver une autre paire, mais il ne peut pas parce que la prochaine est loin. »

L’avenir des qubits : optimisation et protection

En explorant la nature de ces qubits, les chercheurs ont pu comprendre les différentes façons dont ils étaient protégés de leur environnement et chercher à les optimiser. Bien que les excitations des paires de terbium soient bien protégées de l’influence des autres ions de terbium, les spins nucléaires sur d’autres atomes dans le matériau pourraient toujours interagir avec les qubits et les faire décohérer.

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

Une fois ce niveau de protection inclus, les paires de qubits avaient des durées de vie jusqu’à cent fois plus longues que les ions simples dans le même matériau.

« Si nous avions cherché des qubits basés sur des paires de terbium, nous n’aurions pas choisi un matériau avec autant de spins nucléaires », dit Aeppli. « Ce que cela montre, c’est à quel point cette approche peut être puissante. Avec le bon matériau, la cohérence pourrait être encore plus longue. »

Armés de la connaissance de ce phénomène, l’optimisation de la matrice est ce que les chercheurs vont maintenant faire.

En synthèse

Au lieu de diluer les qubits dans des matériaux ultra-purs, les chercheurs ont découvert que l’insertion d’une grande quantité d’ions de terres rares dans un cristal peut conduire à la formation de paires qui agissent comme des qubits hautement cohérents. Cette découverte pourrait ouvrir de nouvelles voies pour le développement de l’informatique quantique, en offrant une alternative à l’approche minimaliste traditionnelle.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un qubit ?

Un qubit, ou bit quantique, est l’unité de base de l’information quantique. Il est analogue au bit dans l’informatique classique, mais avec la capacité d’exister dans des états de superposition, ce qui lui permet de représenter à la fois 0 et 1 en même temps.

Qu’est-ce que la décohérence ?

La décohérence est le processus par lequel un système quantique perd de l’information en interagissant avec son environnement. C’est l’un des principaux obstacles à la réalisation de l’informatique quantique pratique.

Qu’est-ce que le terbium ?

Le terbium est un métal de terres rares qui a été utilisé dans cette étude pour créer des qubits à l’état solide.

Qu’est-ce que la superposition ?

La superposition est un principe fondamental de la mécanique quantique qui permet à un système quantique d’exister dans plusieurs états à la fois. C’est cette propriété qui donne aux qubits leur puissance et leur potentiel pour l’informatique quantique.

Qu’est-ce que l’Institut Paul Scherrer PSI, l’ETH Zurich et l’EPFL ?

Ce sont des institutions de recherche basées en Suisse qui ont collaboré à cette étude. L’Institut Paul Scherrer PSI est un centre de recherche multidisciplinaire, l’ETH Zurich est une université de technologie et l’EPFL est l’École polytechnique fédérale de Lausanne.

Références

Légende illustration : Dans un système dense, certains ions terbium forment des paires. En raison de leurs propriétés uniques, ces paires sont aveugles aux ions terbium uniques qui se trouvent à proximité et qui leur feraient perdre leur information quantique. Protégés de leur environnement désordonné, ils peuvent agir comme des qubits avec des durées de vie de cohérence étonnamment longues. Crédit : Ella Maru Studios.

Article : « Emergence of highly coherent two-level systems in a noisy and dense quantum network » – DOI: 10.1038/s41567-023-02321-y