Un couplage fort gr?ce au trio de spins

Les ordinateurs quantiques calculent avec des bits quantiques ou "qubits", c'est-à-dire des états quantiques, par exemple d'atomes ou d'électrons, qui peuvent prendre simultanément les valeurs logiques "0" et "1". Pour réunir de nombreux qubits de ce type en un ordinateur quantique performant, il faut les coupler entre eux sur des distances de l'ordre du millimètre, voire de plusieurs mètres. Cela peut être réalisé par exemple, de manière tout à fait similaire à une antenne radio, par le déplacement de la charge par une onde électromagnétique. Toutefois, un tel couplage expose également le qubit à des influences perturbatrices de champs électriques indésirables, ce qui nuit fortement à la qualité des opérations logiques du qubit.

Des chercheurs de plusieurs chaires de l'ETH Zurich, soutenus par des physiciens théoriciens de l'Université de Sherbrooke au Canada, viennent de montrer comment contourner ce problème. Pour cela, ils ont trouvé un moyen de coupler un photon micro-onde à un qubit de spin dans un point quantique.

Qubits avec charge ou spin

Dans les points quantiques, on commence par piéger des électrons dans des structures semi-conductrices de quelques nanomètres seulement, qui sont refroidies à moins d'un degré au-dessus du zéro absolu. Les valeurs logiques 0 et 1 peuvent alors être réalisées de deux manières différentes. Soit on définit un qubit par le fait que l'électron se trouve à gauche ou à droite d'un point quantique double, soit par le spin de l'électron, qui peut être dirigé vers le haut ou vers le bas.

Dans le premier cas, on parle d'un qubit de charge, qui se couple fortement aux ondes électromagnétiques en raison du déplacement de la charge électrique. Un qubit de spin, en revanche, peut être imaginé comme une minuscule aiguille de boussole qui pointe vers le haut ou vers le bas. Comme l'aiguille d'une boussole, le spin est magnétique et ne se couple donc pas aux champs électriques, mais aux champs magnétiques. Le couplage du qubit de spin à la partie magnétique des ondes électromagnétiques est alors beaucoup plus faible que celui d'un qubit de charge à la partie électrique.

Trois spins pour un couplage plus fort

Ainsi, un qubit de spin est certes d'une part moins sensible aux perturbations et conserve sa cohérence (sur laquelle repose le fonctionnement de l'ordinateur quantique) sur une plus longue période. Mais d'un autre c?té, il est aussi beaucoup plus difficile de coupler des qubits de spin entre eux sur de longues distances à l'aide de photons. Pour que cela soit malgré tout possible, le groupe de travail utilise une astuce, comme l'explique Jonne Koski, post-doctorant dans le groupe du professeur ETH Klaus Ensslin : "En utilisant non pas un, mais trois spins pour la réalisation du qubit, nous pouvons combiner les avantages d'un qubit de spin avec ceux d'un qubit de charge".

Dans la pratique, trois points quantiques sont créés sur une puce semi-conductrice, qui sont proches les uns des autres et peuvent être contr?lés par des tensions appliquées au moyen de minuscules fils. Dans chacun des points quantiques, des électrons dont le spin est orienté vers le haut ou vers le bas peuvent être capturés. Le trio de spins est en outre relié à un résonateur à micro-ondes par l'un des fils. Les tensions sur les points quantiques sont réglées de manière à ce que chacun des points quantiques contienne un électron et que les spins de deux des électrons soient orientés dans la même direction, tandis que le troisième est orienté dans la direction opposée.

Déplacement de charges par effet tunnel

Selon les règles de la mécanique quantique, les électrons peuvent en outre effectuer des allers-retours entre les points quantiques avec une certaine probabilité. Ainsi, il peut arriver que deux des trois électrons se trouvent temporairement dans le même point quantique, tandis qu'un reste vide. Dans cette constellation, la charge électrique est répartie de manière inégale. Ce déplacement de charge crée à son tour un dip?le électrique qui peut se coupler fortement au champ électrique d'un photon à micro-ondes.

Les scientifiques de l'ETH ont pu démontrer clairement ce fort couplage en mesurant la fréquence de résonance du résonateur à micro-ondes. Ils ont ainsi observé comment la résonance du résonateur se dédoublait en raison du couplage avec le trio de spins. Ils ont pu déduire de ces données que la cohérence du qubit de spin était maintenue pendant plus de 10 nanosecondes.

Trios de spins pour bus quantique

Les chercheurs sont persuadés que cette technique permettra bient?t de réaliser une voie de transmission d'informations quantiques entre deux qubits de spin (ce qu'on appelle un bus quantique). "Pour cela, nous devons placer deux trios de spins aux deux extrémités de la cavité micro-onde et montrer que les qubits sont ensuite couplés entre eux par un photon micro-onde", explique le premier auteur de l'étude Andreas Landig, doctorant dans le groupe d'Ensslin. Une étape importante serait ainsi franchie en direction d'un réseau de qubits de spin répartis dans l'espace. Les chercheurs soulignent en outre que leur méthode peut être appliquée sans problème à d'autres matériaux, comme le graphène par exemple, ce qui la rend très polyvalente.

Ce travail a été réalisé dans le cadre du P?le de recherche national Quantum Science and Technology (NCCR QSIT) a été réalisée. Des scientifiques des chaires de Klaus Ensslin, Thomas Ihn, Werner Wegscheider et Andreas Wallraff de l'ETH Zurich y ont participé.