Dans la course à l'ordinateur quantique, différents supports physiques sont en compétition pour encoder l'information quantique. Leur point commun ? Ils forment des systèmes à deux niveaux d'énergie – les bits quantiques ou qubits – qui doivent pouvoir être initialisés, lus et manipulés.
Les spins des électrons ou des lacunes d'électrons (trous) sont des candidats prometteurs car ils peuvent désormais être isolés dans le silicium grâce à une technologie compatible avec les procédés industriels de la micro-électronique.
Cependant, les spins des électrons ne peuvent être manipulés qu'en appliquant localement un champ magnétique oscillant à une fréquence micro-onde. Cette contrainte est coûteuse en énergie. Une alternative consiste à insérer des micro-aimants pour coupler les spins à un champ électrique mais elle augmente l'encombrement des qubits et complexifie leur intégration à grande échelle.
En 2016, des chercheurs du CEA-Irig et du CEA-Leti ont montré qu'il en va tout autrement avec les trous. Leur spin peut être contrôlé « naturellement » via un champ électrique, grâce au « couplage spin-orbite ». Ces qubits se matérialisent donc sous forme de transistors refroidis à très basse température, pour lesquels la manipulation cohérente de spin nécessite seulement l'envoi d'un signal micro-onde sur la grille des transistors.
Récemment, des chercheurs de l'Université de technologie de Delft (Pays-Bas) ont développé un processeur à 4 qubits de trous en germanium, une prouesse saluée par toute la communauté des qubits de spin. Cependant, dans leur expérience (comme dans les premières expériences du CEA), le contrôle électrique des qubits les expose au bruit électrique environnant, limitant ainsi leurs temps de cohérence à des valeurs bien plus faibles que ceux des qubits d'électrons.
En contrôlant finement un spin unique de trou dans le silicium, des chercheurs de l'Irig viennent de démontrer qu'il existe un sweet spot où le qubit de trou devient quasiment insensible au bruit électrique, tout en restant manipulable. Cette configuration idéale, qui correspond à une orientation particulière du champ magnétique, est en accord avec les modèles théoriques et doit pouvoir être réalisée dans d'autres matériaux comme le germanium.
Les temps de cohérence obtenus dans ce sweet spot sont voisins de 100 µs, surpassant de plus d'un ordre de grandeur les précédentes valeurs rapportées. Ils sont désormais très proches des valeurs pour des qubits d'électrons contrôlés électriquement grâce à des micro-aimants, obtenues dans le silicium purifié isotopiquement – une option qui réduit les perturbations apportées par les spins nucléaires du silicium 29 (29Si) présent à hauteur de 5 % dans le silicium naturel et optimise le temps de cohérence des spins d'électrons.
Lire aussi sur le site de Nature Nanotechnology.