Comment conserver l'information quantique le plus longtemps possible ? Une étape importante dans le développement des mémoires quantiques a été réalisée par une équipe de recherche de la TU Wien.

Les mémoires conventionnelles utilisées dans les ordinateurs d'aujourd'hui ne différencient que les valeurs binaires 0 et 1. En physique quantique, cependant, des superpositions arbitraires de ces deux états sont possibles. La plupart des idées de nouveaux dispositifs de technologie quantique reposent sur ce « Principe de Superposition ». L'un des principaux défis liés à l'utilisation de tels états est qu'ils sont généralement de courte durée. Ce n'est que pendant une courte période que les informations peuvent être lues de manière fiable dans les mémoires quantiques, après c'est irrécupérable.

Une équipe de recherche de la TU Wien a maintenant franchi une étape importante dans le développement de nouveaux concepts de stockage quantique. En coopération avec le géant japonais des télécommunications NTT, les chercheurs viennois dirigés par Johannes Majer travaillent sur des mémoires quantiques à base d'atomes d'azote et de micro-ondes. Les atomes d'azote ont des propriétés légèrement différentes, ce qui conduit rapidement à la perte de l'état quantique. En changeant spécifiquement une petite partie des atomes, on peut amener les atomes restants dans un nouvel état quantique, avec une amélioration de la durée de vie de plus d'un facteur de dix. Ces résultats sont maintenant publiés dans la revue Photonique de la nature .

Azote dans le diamant

"Nous utilisons des diamants synthétiques dans lesquels sont implantés des atomes d'azote individuels", explique le chef de projet Johannes Majer de l'Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien. "L'état quantique de ces atomes d'azote est couplé aux micro-ondes, résultant en un système quantique dans lequel nous stockons et lisons des informations."

Cependant, le temps de stockage dans ces systèmes est limité en raison de l'élargissement inhomogène de la transition micro-ondes dans les atomes d'azote du cristal de diamant. Après environ une demi-microseconde, l'état quantique ne peut plus être lu de manière fiable, le signal réel est perdu. Johannes Majer et son équipe ont utilisé un concept connu sous le nom de « brûlage de trous spectral », permettant de stocker des données dans la gamme optique de supports élargis de manière non homogène, et l'a adapté pour les circuits quantiques supraconducteurs et les mémoires quantiques de spin.

Dmitri Krimer, Benedikt Hartl et Stefan Rotter (Institut de physique théorique, TU Wien) ont montré dans leurs travaux théoriques que de tels états, qui sont en grande partie découplés du bruit gênant, existent également dans ces systèmes. "L'astuce consiste à manœuvrer le système quantique dans ces états durables par une manipulation spécifique, dans le but d'y stocker des informations, " explique Dmitry Krimer.

Hors énergies spécifiques

"Les zones de transition dans les atomes d'azote ont des niveaux d'énergie légèrement différents en raison des propriétés locales du cristal de diamant pas tout à fait parfait", explique Stefan Putz, le premier auteur de l'étude, qui a depuis déménagé de la TU Wien à l'Université de Princeton. "Si vous utilisez des micro-ondes pour modifier sélectivement quelques atomes d'azote qui ont des énergies très spécifiques, vous pouvez créer un "trou spectral". Les atomes d'azote restants peuvent alors être amenés dans un nouvel état quantique, un soi-disant "état sombre", au centre de ces trous. Cet état est beaucoup plus stable et ouvre des possibilités complètement nouvelles."

"Notre travail est une 'preuve de principe' - nous présentons un nouveau concept, montrer que ça marche, et nous voulons jeter les bases d'une exploration plus poussée de protocoles opérationnels innovants de données quantiques, " dit Stefan Putz.

Avec cette nouvelle méthode, la durée de vie des états quantiques du système couplé de micro-ondes et d'atomes d'azote a augmenté de plus d'un ordre de grandeur pour atteindre environ cinq microsecondes. Ce n'est toujours pas grand-chose dans le quotidien, mais dans ce cas, il suffit pour d'importantes applications de la technologie quantique. "L'avantage de notre système est que l'on peut écrire et lire des informations quantiques en quelques nanosecondes, " explique Johannes Majer. " Un grand nombre d'étapes de travail sont donc possibles en microsecondes, dans lequel le système reste stable."