Avec la découverte de la superposition et de l'intrication d'états de la matière, la physique a ouvert un large champ de recherches sur l'information quantique. Un des enjeux est de construire un jour un ordinateur quantique, potentiellement bien plus puissant que les supercalculateurs actuels. Mais comment produire et détecter une information quantique ? Comment la conserver assez longtemps pour la traiter ou la transmettre ? Ces questions sont difficiles car un état quantique est souvent associé à un objet microscopique, isolé et refroidi à basse température et la moindre perturbation environnementale ou thermique suffit à le faire disparaître (par « décohérence »).
Des chercheurs du CEA-Iramis/SPEC publient trois résultats majeurs dans la perspective d'un calculateur quantique utilisant le spin des électrons :
- Une mesure classique de RPE atteste que l'information quantique portée par des spins électroniques d'ions d'erbium (Er3+) isolés, au sein d'une matrice cristalline de CaWO4, peut être conservée pendant 23 ms. Une quasi-éternité en physique quantique !
- Il est possible de sonder par comptage de photons microonde un petit ensemble de spins électroniques d'impuretés implantées dans le silicium. Cette approche originale, qui utilise un détecteur de photons uniques développé par le CEA-Iramis, permet de s'affranchir du bruit quantique inhérent à toute mesure classique de RPE ou de RMN.
- Avec leur analogue électronique d'un interféromètre de Mach-Zehnder, les chercheurs explorent la nature des « onde de spins » (ou magnons). Ils observent que ces oscillations de spin portent un dipôle électrique, ce qui permet de les contrôler par un champ électrique et pas seulement par un champ magnétique, moins facile à manipuler.
Les implications de ces résultats sont variées :
- Un cristal tel que CaWO4 pourrait servir de support à un stockage temporaire d'informations quantiques qui pourrait utilement être associé à un processeur quantique (Lire
« Avec une mémoire quantique, l’ordinateur quantique est mille fois plus
petit ! »).
- Les ions erbium combinent une raie micro-onde étroite (la transition de spin) et une transition optique à la longueur d'onde télécom (1,5 µm) : c'est donc un système prometteur pour la conversion cohérente d'états quantiques entre photons micro-onde et optiques. Une opération intéressante pour des communications quantiques ou pour des échanges entre processeurs et mémoires quantiques.
- Les ondes de spin pourraient être des vecteurs d'échange d'informations entre bits quantiques supraconducteurs.
Il est probable que les briques technologiques développées par les CEA-Iramis – utilisant des circuits supraconducteurs à jonction Josephson, des résonateurs microonde, des plans de graphène, etc. – trouveront des applications dans les secteurs des communications quantiques ou des capteurs, bien avant l'avènement de l'ordinateur quantique. En particulier, la RPE sur des objets biologiques uniques, comme une cellule ou une protéine, devient envisageable.
Glossaire
Circuits supraconducteurs à jonction Josephson
Une jonction Josephson est obtenue par insertion d'un film mince conducteur dans un circuit fermé supraconducteur. Ce composant entre dans la réalisation de circuits électroniques porteurs d'une information quantique (bit quantique).
Graphène
Le graphène est un conducteur bidimensionnel composé d'une couche monoatomique de carbone. Sous un champ magnétique intense perpendiculaire au plan, des « canaux » électroniques s'ouvrent, exclusivement sur les bords du conducteur, et les électrons s'y propagent sans dissipation d'énergie.
Interféromètre de Mach-Zehnder
En optique, la figure d'interférences produite par un interféromètre permet de détecter les infimes variations de chemin optique entre deux « bras ». Il est possible de réaliser un analogue électronique d'un interféromètre sur un feuillet de graphène en régime d'effet Hall quantique (basse température et fort champ magnétique externe). Dans ce cas, la propagation des électrons se limite aux bords du plan de graphène, l'intérieur devenant globalement isolant.
Magnon
C'est une « excitation » magnétique ou une onde de spin qui se propage sans transfert de charge.
RPE
La Résonance paramagnétique électronique (RPE) est l'analogue pour les spins électroniques de la RMN (Résonance magnétique nucléaire) pour les spins nucléaires. Une méthode de mesure RPE consiste à sonder l'échantillon grâce à deux impulsions radiofréquence successives et à détecter « l'écho de spin » émis en réponse.
Spin électronique
Plongé dans un champ magnétique, le spin d'un électron est une propriété quantique qui peut prendre deux valeurs (up, down). Ce système à deux niveaux d'énergie, peu sensible aux perturbations extérieures, constitue un bon support d'information quantique (bit quantique ou qubit).En savoir plus sur le site de l'Iramis :
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