Près du zéro absolu : les qubits atteignent 10 ms de stabilité record

L’informatique et la communication quantiques émergent comme des technologies de pointe pour le traitement et la transmission de données. Leur capacité à surpasser les ordinateurs conventionnels en termes de vitesse et de sécurité suscite un intérêt dans la communauté scientifique. Au cœur de ces innovations se trouvent les qubits, unités fondamentales de l’information quantique. La maîtrise de leur stabilité et de leur contrôle constitue un enjeu majeur pour le développement d’applications pratiques dans ce domaine en pleine expansion.

Les qubits représentent l’équivalent quantique des bits utilisés dans le traitement de données classique. Leur particularité réside dans leur capacité à stocker et traiter des états quantiques, ainsi qu’à les absorber et les émettre sous forme de photons. Cette propriété engendre des possibilités inédites en matière de calcul et de communication.

Dans le domaine de la communication quantique, l’utilisation de photons individuels pour transporter l’information d’un point A à un point B offre un niveau de sécurité théoriquement inviolable. Les qubits optiquement adressables s’avèrent particulièrement adaptés pour stocker l’information portée par les photons et la traiter au sein d’ordinateurs quantiques.

Le défi de la stabilité des qubits

L’un des obstacles majeurs au développement des qubits réside dans l’extension de leur temps de cohérence. Ce paramètre détermine la durée pendant laquelle les qubits peuvent conserver l’information de manière stable. La maîtrise de ce facteur s’avère essentielle pour exploiter pleinement le potentiel des qubits dans des applications concrètes et permettre le développement d’ordinateurs quantiques efficaces et évolutifs.

Des chercheurs de l’Institut de Physique du KIT ont réalisé des progrès notables dans le contrôle précis d’un défaut particulier dans les diamants, connu sous le nom de centre lacune-étain (SnV). Ioannis Karapatzakis, l’un des doctorants impliqués dans l’étude, a expliqué : «Un défaut dans la structure cristalline des atomes de carbone d’un diamant se produit lorsque des atomes sont manquants ou remplacés par d’autres atomes tels que l’étain.»

Les propriétés optiques et magnétiques uniques de ces défauts permettent leur utilisation en tant que qubits pour la communication quantique. Les états quantiques, tels que le spin électronique, peuvent être manipulés à l’aide de lumière ou de micro-ondes, offrant ainsi des qubits stables capables de stocker et traiter l’information, tout en assurant un couplage avec les photons.

Amélioration considérable des temps de cohérence

Les travaux menés par Karapatzakis et son collègue Jeremias Resch ont abouti à des résultats prometteurs. Ce dernier a déclaré : «Nous avons réussi à augmenter les temps de cohérence des centres SnV du diamant jusqu’à dix millisecondes, ce qui représente une amélioration majeure.» Leur prouesse a été rendue possible grâce à l’utilisation de la technique de découplage dynamique, qui permet de supprimer en grande partie les interférences.

Un aspect particulièrement novateur de leurs recherches réside dans la démonstration, pour la première fois, de la possibilité de contrôler très efficacement ce type de défaut diamant à l’aide de guides d’ondes supraconducteurs. Ces derniers dirigent le rayonnement micro-ondes vers les défauts sans générer de chaleur, un point crucial étant donné que ces défauts sont généralement étudiés à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu.

Perspectives pour la communication quantique

Les avancées réalisées par l’équipe du KIT génèrent de nouvelles perspectives pour le développement de la communication quantique. Resch a souligné l’importance de leurs résultats : «Pour établir une communication entre deux utilisateurs ou (plus tard) entre deux ordinateurs quantiques, nous devons transférer les états quantiques des qubits aux photons. Avec la lecture optique des qubits et l’obtention de propriétés spectrales stables, nous avons franchi une étape importante dans cette direction.»

Les progrès réalisés dans le contrôle des centres lacune-étain dans les diamants offrent un potentiel considérable pour le développement futur d’une communication quantique sécurisée et efficace. L’amélioration de la stabilité et du contrôle des qubits représente une avancée significative vers la réalisation d’applications pratiques dans le domaine de l’informatique quantique.

Légende illustration : Le contrôle précis des qubits en diamant est une étape importante pour le développement des ordinateurs quantiques. (Illustration : Ioannis Karapatzakis, KIT)

Article : ‘Ioannis Karapatzakis, Jeremias Resch, Marcel Schrodin, Philipp Fuchs, Michael Kieschnick, Julia Heupel, Luis Kussi, Christoph Sürgers, Cyril Popov, Jan Meijer, Christoph Becher, Wolfgang Wernsdorfer, David Hunger: Phys. Rev. X 14’ / ( 10.1103/PhysRevX.14.031036 ) – Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – Publication dans la revue Physical Review