Le CEA-Leti et le CEA-Irig développent des bits quantiques sur silicium utilisant le spin de lacunes d'électrons (trous) dans un environnement classique de microélectronique CMOS. Leur choix a été motivé par la possibilité de coupler, dans le silicium, le spin de trous avec un champ électrique radiofréquence – ce qui est impossible avec les spins électroniques. Appliquer une tension électrique sur la grille d'un transistor est en effet beaucoup plus simple et moins coûteux en énergie qu'appliquer un champ magnétique !
Le bit quantique (qubit) est matérialisé par un trou piégé dans une « boîte quantique », à l'intérieur d'un nanofil de silicium (constituant le canal d'un transistor CMOS), sous la grille qui bloque l'écoulement des charges dans le canal.
Pour utiliser ce qubit, il est nécessaire d'ajouter, sur le même nanofil, un autre qubit servant de référence. En appliquant un champ magnétique externe, les spins des deux qubits s'alignent suivant la même direction. Il est ensuite possible de faire basculer sélectivement le spin du premier qubit en le couplant avec un champ électrique radiofréquence.
Comment procéder ensuite pour la lecture ? Le principe consiste à tenter de réunir dans une seule des deux boîtes les deux trous en appliquant une tension bien choisie sur la grille. Du fait du principe d'exclusion de Pauli, si les deux spins pointent suivant la même direction, chaque trou reste dans sa boîte et dans le cas contraire, les deux trous peuvent se regrouper.
Les chercheurs de l'Irig sont parvenus à extraire par une spectrométrie de type «pompe-sonde » tous les paramètres décrivant cette procédure de lecture de qubits à deux spins dans deux boîtes quantiques.
Cette caractérisation sera indispensable avant toute manipulation et lecture de qubits de ce type. Il faut en effet ajuster très finement toutes les valeurs de commande des qubits (tension de grille, fréquence et intensité du champ électrique, etc.) afin d'optimiser la durée de vie des états quantiques associés, ainsi que la fidélité de leur lecture. Bonne nouvelle, elle pourra être mise en œuvre sur des qubits intégrés à grande échelle !