Dans un atome, le noyau attire l'électron qui est localisé simultanément dans une zone tout autour appelée « nuage électronique ». Ce phénomène peut être recréé dans un atome artificiel : un système quantique constitué d'un million d'atomes sur lesquels flotte un électron, de la même manière qu'un électron flotte autour d'un noyau. Dans un atome artificiel, l'électron est délocalisé sur l'ensemble de la structure et forme donc un nuage bien plus grand. On parle aussi de « boîte quantique » pour appuyer le fait que l'électron est confiné avec l'atome artificiel.
Tout comme il est possible d'ajouter un électron à un atome artificiel, il est aussi possible d'en enlever un. La structure possède alors une absence d'électron, ou « trou d'électron », qui peut être caractérisée de la même manière qu'un électron (forme du nuage, niveau d'énergie, spin) mais avec une charge positive.
Une fois l'électron/trou d'électron piégé dans la boîte quantique, Il devient possible de contrôler son spin. L'ensemble forme alors un qubit qui peut être utilisé comme unité d'information. Le problème est qu'il n'existe pas encore de qubit suffisamment performant pour pouvoir faire des applications réelles : Les interactions entre les qubit leur font perdre leur propriété quantique. C'est la limite énoncée dans l'expérience du chat de Schrödinger qui montre l'incompatibilité entre les phénomènes quantiques et ceux à une échelle macroscopique.
L'objectif pour les chercheurs est donc de fabriquer un système quantique très stable (qubit) puis de trouver un moyen de l'ouvrir à son environnement autour (d'autres qubit) sans qu'il ne perde sa cohérence quantique.
Utiliser un environnement électromagnétique comme intermédiaire entre les qubit
Dans une recherche publiée dans la revue Nature Physics, une équipe du laboratoire Pheliqs (CEA-Irig) étudie un nouveau type de qubit. L'atome artificiel est ici fabriqué à partir d'un nano-fil de silicium, dans lequel est piégé un trou d'électron étendu sur un grand volume, recouvrant près d'un million d'atomes. Le large nuage électronique de cette charge unique lui donne un fort couplage au champ électrique, si bien que son spin est capable d'interagir avec un seul photon.
Ce couplage permet d'exploiter l'interaction lumière-matière. Cela pourrait permettre d'utiliser le spin de trou comme outil pour étudier la lumière, donnant la possibilité de détecter et contrôler des photons, et vice-versa, de faire des photons un outil pour réaliser de larges systèmes quantiques à base de spins.
Le problème avec cette méthode est qu'elle occasionne tout de même un bruit au moment de l'interaction avec le photon, appelé bruit photonique qui peut s'avérer néfaste pour les propriétés quantiques du spin. Des observations ont cependant permis de déterminer qu'il était possible de protéger le spin contre ce bruit. Il est donc possible d'augmenter la taille de ce nuage, ce qui a pour effet d'améliorer l'interaction spin-photon, sans que cela ne génère de nouvelles erreurs lors du contrôle du spin. Les équipes du laboratoire ont donc fabriqué un nouveau type de qubit, plus grand, constitué d'une double boîte quantique. Dans ce qubit appelé « flopping mode », le nuage d'électron est ainsi délocalisé sur deux boîtes. Il devient alors plus grand, ce qui améliore l'interaction avec le photon, sans ajouter d'erreurs lors de son contrôle.
Un qubit efficace, et encore améliorable
Le qubit « flopping mode » présenté dans la publication confère donc au spin un dipôle électrique plus important, ce qui permet un couplage fort entre le spin et les photons, sans ajouter d'erreurs lors de son contrôle. Le bruit photonique fait malgré tout partie des limitations observées. Les prochaines recherches des équipes du laboratoire Pheliqs (CEA-irig) et du consortium de chercheurs auront donc pour objectif d'améliorer encore plus ses propriétés quantiques en le protégeant contre les fluctuations électromagnétiques de son environnement.