La célèbre expérience par la pensée de Schrödinger, dans laquelle il imaginait un chat à la fois mort et vivant, illustre le comportement paradoxal des systèmes quantiques. Alors que les objets microscopiques peuvent se trouver dans une superposition d'états, ce que l'on appelle « la cohérence quantique », ceci n'est pas le cas pour des objets macroscopiques. La frontière entre ces deux mondes est alors déterminée par l'interaction de l'objet avec son environnement.
L'un des principaux défis de la physique quantique consiste donc à parvenir à un contrôle cohérent d'un système quantique en le couplant à d'autres systèmes, sans altérer sa cohérence. Ces systèmes quantiques, également appelés qubits, suscitent un intérêt croissant dans les domaines de l'informatique quantique et de la simulation quantique.
Un candidat prometteur pour ces applications est constitué de spins piégés dans des
boîtes quantiques*. Cependant, comme les interactions spin-spin sont de courte portée, la construction de grands processeurs quantiques basés sur des qubits de spin est limitée, et une interaction à longue portée est ainsi recherchée.
En utilisant un système qui amplifie les micro-ondes électromagnétiques (un résonateur supraconducteur), le couplage des qubits de spin aux photons micro-ondes permettra à l'avenir de réaliser de telles interactions spin-spin à longue portée.
Pour y parvenir, la délocalisation d'un spin dans une double boîte quantique (qubits dits en « mode flopping » (FM)), qui confère au spin un dipôle électrique important, est essentielle afin d'obtenir un couplage fort entre spin et photons.
Cependant, les implémentations actuelles de ce système ont jusqu'à présent montré des performances réduites.
Cette étude présente un nouveau qubit de spin en mode flopping (FM) basé sur des trous, réalisé dans un nanofil de silicium couplé à un résonateur micro-ondes en nitrure de niobium. Deux découvertes inédites ont été faites pour ce système. Premièrement, l'obtention de performances quantiques élevées, et deuxièmement, l'identification de son principal facteur limitant : le bruit dans l'environnement électromagnétique.
Cette avancée prometteuse appelle à une réduction de cette source de bruit bien connue, ce qui est généralement réalisé en améliorant l'environnement électromagnétique.
Une fois la limite des propriétés quantiques identifiée, le couplage spin–photon peut être mis en œuvre sans compromis. Cela place le qubit de spin en mode flopping basé sur les trous comme un outil prometteur pour exploiter l'interaction lumière-matière, par exemple pour intriquer des spins éloignés ou réaliser une mesure rapide de l'état de spin.
qubit de spin en « mode flopping » * : qubit de spin délocalisé entre deux boîtes quantiques, doté d'un dipôle électrique important.
trou* : absence d'électron dans un semi-conducteur.
boîtes quantiques* : atomes artificiels dans lesquels des électrons ou des trous isolés sont piégés.
Tutelles UMR : CEA, UGA, Grenoble INP - UGA.
Financements : Programme de recherche et innovation European Union's Horizon 2020 , National Strategy France 2030, spin–photon PEPR chair, Spanish Ministry of Science, innovation and Universities.
Collaborations : Université Grenoble Alpes (UGA), CEA, IRIG-MEM-L_Sim, Grenoble, France.
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, Consejo Superior de Investigaciones Cientificas, Madrid 28049, Spain.
Université Grenoble Alpes (UGA), CEA, LETI, Minatec Campus, Grenoble, France.