Un nouveau papier dans Physique naturelle montre qu’en entassant de nombreux ions de terres rares dans un cristal, certains formeront des paires qui agiront comme des qubits hautement cohérents, démystifiant ainsi l’idée selon laquelle les qubits à l’état solide doivent être super dilués dans un matériau ultra-propre pour atteindre de longues durées de vie.
Selon les auteurs de l’étude, l’un des principaux obstacles à l’informatique quantique pratique réside dans la manière de créer des qubits qui conservent leurs informations quantiques suffisamment longtemps pour être utiles.
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 de toute autre influence perturbatrice, et nous espérons qu’ils survivront un peu plus longtemps.
Cependant, une telle approche « minimaliste » de la conception des qubits est problématique en pratique. 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.
Une nouvelle recherche menée à l’Institut Paul Scherrer PSI, à l’ETH Zurich et à l’EPFL montre 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 de plus en plus, nous avons démontré une nouvelle voie par laquelle nous pouvons rapprocher les qubits », a déclaré Gabriel Aeppli, auteur principal de l’étude, dans un communiqué aux médias.
Ions de terres rares + gemmes qubit
Aeppli et ses collègues ont créé des qubits à l’état solide à partir de terbium dopé en 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 prévu 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 », Markus Müller, co-auteur de l’étude, a déclaré.
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 des ions individuels, 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
L’équipe pourrait réussir avec une approche radicalement différente car, 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 cristalline, 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 », a déclaré 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 », a expliqué Müller. « Cependant, si l’excitation se situe sur une paire de terbium, son état est intriqué, donc elle vit à une énergie différente et ne peut pas sauter vers l’unique terbium. Il faudrait que j’en trouve une autre paire, mais ce n’est pas possible car la suivante est loin.
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 également d’utiliser la lumière du laser à électrons libres à rayons X SwissFEL ou de la source de lumière suisse 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.
