Certains bits quantiques (qubits) sont associés à une « fonction d'onde » qui peut être localisée sur un substrat solide, par exemple dans une boîte quantique. D'autres sont dits volants car leur fonction d'onde est non localisée. Ils peuvent alors être créés à la demande et manipulés au cours de leur propagation. Jusqu'à présent, seuls des qubits volants portés par des photons ont pu être caractérisés.
Une collaboration menée par l'Iramis (SPEC) a tenté de réaliser des qubits volants, portés par des électrons se propageant dans un substrat solide.
Une solution classique consiste à manipuler les états électroniques de l'arséniure de gallium (GaAs) dans l'analogue électronique d'un interféromètre de type Mach-Zehnder. Mais les interférences générées ainsi sont trop sensibles aux perturbations électriques et thermiques environnantes pour être détectables.
Des lévitons très discrets
Pour contourner cette difficulté, les chercheurs ont choisi d'utiliser un feuillet de graphène au sein duquel ils ont réalisé une jonction p-n, dont chaque côté constitue un bras de l'interféromètre. Ils ont ensuite injecté dans le système des ondes électroniques de type « lévitons ». Ces ondes au profil temporel lorentzien ultra-court, qu'ils avaient mises en évidence dès 2013, ont la particularité de pouvoir être injectées individuellement dans un conducteur sans y apporter aucune perturbation : une prouesse !
Le dispositif présente les propriétés suivantes.
- L'application d'un champ magnétique permet d'« ouvrir » des canaux de conduction unidimensionnels le long du périmètre du chip de graphène, de part et d'autre de la jonction p-n.
- Les points d'entrée de la jonction p-n agissent comme des séparateurs d'ondes électroniques.
- Les deux états du qubit volant sont ceux du léviton se propageant de part et d'autre de la jonction p-n.
Comparé aux interféromètres conventionnels à base de GaAs, l'interféromètre ainsi réalisé présente une tolérance dix fois supérieure au bruit thermique ou de tension.
Les physiciens ont ainsi pu préparer et contrôler une superposition quantique des deux états du léviton en jouant sur deux paramètres ajustables : la transmission du séparateur de faisceau à l'entrée de la jonction p-n et la valeur du champ magnétique appliqué.
La suite de cette étude visera à produire à la demande des paires de qubits volants intriquées, à partir d'opérations sur des qubits volants à deux électrons. Une autre voie de recherche, celle du multiplexage temporel, nécessitera un nouvel effort technologique pour raccourcir la durée déjà très brève des lévitons (quelques dizaines de picosecondes ou 10-12 s).