Un verrou majeur pour les mémoires quantiques à longue durée de vie
Le développement de processeurs quantiques évolutifs repose sur des qubits capables de conserver l'information quantique sur de longues durées tout en restant contrôlables et mesurables. Les spins nucléaires dans les solides présentent naturellement une forte protection contre le bruit de l'environnement, mais leur manipulation et leur lecture individuelle constituaient jusqu'ici un obstacle majeur. Les plateformes existantes opposaient ainsi rapidité de contrôle et durée de cohérence, sans parvenir à réunir ces deux qualités dans un même dispositif.
Coupler spins nucléaires et circuits supraconducteurs
Pour contourner cette difficulté, des chercheurs du groupe Quantronique au SPEC (CEA-Iramis) ont utilisé des spins nucléaires dans un cristal de tungstate de calcium (CaWO₄), placés à proximité d'ions erbium Er³⁺. Le spin électronique de l'erbium joue un rôle crucial, assurant le couplage entre les spins nucléaires et un résonateur supraconducteur micro-onde fabriqué à la surface du cristal. Grâce à un détecteur de photons micro-ondes ultra-sensible fonctionnant à une température proche du zéro absolu (10 mK), l'équipe a réalisé une lecture unique, sans démolition quantique, de l'état du spin nucléaire. Ce résultat représente une avancée clé pour toute architecture de qubits à l'état solide, permettant ainsi d'envisager la conception de mémoires quantiques fiables.
Des performances de cohérence et de contrôle inédites
Les performances obtenues sont prometteuses. Les qubits nucléaires étudiés conservent leur cohérence quantique pendant plusieurs secondes, bien au-delà de ce que permettent la plupart des qubits solides actuels. De plus, les chercheurs ont montré qu'il est possible de les contrôler efficacement par micro-ondes, avec des opérations quantiques réalisées en quelques millisecondes.
Les chercheurs ont réussi à intriquer deux spins nucléaires, créant un état quantique partagé entre eux, avec une bonne fidélité. Certains de ces états intriqués sont naturellement plus résistants au bruit, ce qui permet de prolonger encore leur cohérence.
Au-delà de la démonstration expérimentale, ces résultats montrent que des spins nucléaires individuels à l'état solide peuvent servir de qubits à la fois robustes, contrôlables et lisibles. Ils ouvrent la voie à leur intégration dans des registres quantiques plus étendus ou dans des architectures hybrides associant mémoires nucléaires et qubits supraconducteurs, tout en offrant de nouvelles perspectives pour la détection quantique et la spectroscopie de haute précision.