Les qubits à longue durée de vie survivent sous forme d'« îles » dans un environnement bruyant – Physics World

Les qubits à longue durée de vie survivent sous forme d'« îles » dans un environnement bruyant – Physics World

Horodatage: 5 février 2024 4:30

Image montrant des paires d'ions terbium représentés sous forme de points avec des flèches de rotation entourées de sphères protectrices lumineuses, sur un fond désordonné de morceaux de métal brisés
Pas dérangé : dans un système dense, certains ions terbium forment des états appariés qui ne peuvent pas interagir avec des ions terbium uniques à proximité. Protégés de leur environnement désordonné, ils peuvent agir comme des qubits avec des durées de vie de cohérence étonnamment longues. (Avec l'aimable autorisation de Ella Maru Studio)

La durée pendant laquelle les bits quantiques (qubits) conservent leur nature quantique est cruciale pour l’informatique quantique, car elle détermine le nombre et la complexité des calculs qu’ils peuvent effectuer. Pendant des décennies, l’idée reçue a été que l’augmentation de ce temps de cohérence signifiait protéger les qubits les uns des autres et des perturbations externes. Mais aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer, de l'ETH Zurich et de l'EPF Lausanne ont renversé cette idée en montrant que certains qubits peuvent survivre plus longtemps dans un environnement bruyant.

À l’instar des ordinateurs classiques qui stockent les informations sous forme de bits ayant des valeurs de 0 ou 1, l’informatique quantique s’appuie sur des systèmes qui existent dans deux états possibles. La différence est que les qubits peuvent également être dans une superposition de ces deux états. C’est cette ambiguïté qui leur permet d’effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que les machines classiques, mais les états quantiques sont fragiles et ont tendance à se décohérer, ce qui signifie qu’ils recommencent à se comporter comme des 0 et des 1 classiques, perdant ainsi leurs précieuses informations quantiques.

Dans les derniers travaux, des chercheurs dirigés par un scientifique en photonique Gabriel Aeppli étudié des qubits à l'état solide fabriqués à partir d'ions terbium dopés dans des cristaux de fluorure d'yttrium et de lithium (YLiF4). Ces ions possèdent deux niveaux quantiques de basse altitude avec une différence d’énergie dans le domaine fréquentiel des communications 5G, et ce sont ces systèmes à deux états que les chercheurs ont utilisés comme qubits. Ils ont découvert que même si la plupart des qubits ne connaissent que des temps de cohérence moyens, la poignée de qubits formés par paires d’ions terbium proches les uns des autres s’avèrent « extrêmement cohérents ».

Des sommets nets et distincts

Les chercheurs ont observé ces qubits inhabituellement cohérents à l’aide de spectroscopie micro-onde et de sondes à écho de spin, couramment utilisées pour mesurer les temps de cohérence. Ils ont trouvé des pics très nets et distincts dans leurs mesures d’écho, correspondant à des temps de cohérence beaucoup plus longs (100 fois plus longs dans certains cas) pour les qubits d’ions appariés que pour les qubits situés à des distances moyennes de leurs voisins. L’équipe explique ces longs temps de cohérence en notant que les ions appariés ne peuvent pas échanger d’énergie avec des ions simples proches et ne sont donc pas perturbés par les interactions avec eux.

"Le but de cette recherche était de prouver qu'il est possible de générer des superpositions quantiques cohérentes de niveaux de champs cristallins (différentes organisations de basse énergie des électrons sur les ions des terres rares), même à des concentrations d'ions assez élevées", explique membre de l'équipe Markus Müller. « Au début, il n'était pas du tout clair que nous serions capables de voir une quelconque cohérence dans un environnement aussi bruyant et c'était une découverte inattendue que la cohérence était très inuniforme entre les entités dopées et que des « îlots » de haute cohérence pouvaient survivre."

Cette découverte pourrait éclairer la conception d'architectures informatiques quantiques, ajoute-t-il, en particulier pour les schémas dans lesquels des qubits sont implantés de manière aléatoire dans une matrice hôte. D'autres applications potentielles incluent l'utilisation des qubits comme capteurs quantiques pour la dynamique magnétique dans leurs environnements. Cela pourrait, par exemple, permettre aux chercheurs d'étudier la vitesse de diffusion du spin dans des systèmes couplés dipolaires aléatoires dans le cadre d'études sur la localisation à plusieurs corps et le rôle que jouent les interactions dipolaires dans sa dégradation.

Optimiser la sensibilité des qubits de paire

Pour l’avenir, les chercheurs visent à optimiser la sensibilité de leurs paires de qubits et à recréer des superpositions quantiques d’états électronucléaires locaux dans des matériaux hôtes exempts de spin nucléaire. La suppression du spin nucléaire minimisera les sources indésirables de bruit magnétique, ce qui dans YLiF4 proviennent principalement du spin des atomes de fluor.

"Nous essaierons également d'obtenir des superpositions cohérentes similaires d'états ioniques de moments cinétiques différents", révèle Müller. «Celles-ci étendront la gamme de fréquences d'excitation de la région des micro-ondes (30 GHz) que nous utilisons actuellement à la gamme optique, où la disponibilité de lasers puissants permet des temps d'excitation plus rapides (fréquences Rabi). En effet, nous avons déjà obtenu des résultats préliminaires prometteurs dans cette direction.

L’équipe explore également les moyens d’utiliser des paires de dopants dans le contexte du traitement de l’information quantique ou de l’informatique avec des dopants dans le silicium.

L'étude est détaillée dans Physique de la nature.

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