Pour rendre les qubits des ordinateurs quantiques moins sensibles au bruit, le spin d'un électron ou d'une autre particule est préférentiellement utilisé. Des chercheurs de l'ETH Zurich ont maintenant développé une méthode qui permet de coupler fortement un tel qubit de spin à des photons micro-ondes.

Les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques ou "qubits" pour effectuer leurs calculs - états quantiques, C'est, d'atomes ou d'électrons pouvant prendre les valeurs logiques « 0 » et « 1 » en même temps. Afin de câbler beaucoup de ces qubits pour créer un ordinateur quantique puissant, il faut les coupler entre eux sur des distances de quelques millimètres voire plusieurs mètres. Une façon d'y parvenir est d'exploiter le déplacement de charge causé par une onde électromagnétique, qui est le principe de fonctionnement d'une antenne. Un tel couplage, cependant, expose également le qubit à des perturbations dues à des champs électriques indésirables, ce qui limite sévèrement la qualité des opérations qubit logiques.

Une équipe de scientifiques travaillant dans plusieurs groupes de recherche à l'ETH Zurich, assisté par des physiciens théoriciens de l'Université de Sherbrooke au Canada, ont maintenant démontré comment ce problème peut être évité. Faire cela, ils ont trouvé un moyen de coupler un photon micro-onde à un qubit de spin dans une boîte quantique.

Qubits avec charge ou spin

En points quantiques, les électrons sont d'abord piégés dans des structures semi-conductrices de quelques nanomètres seulement, refroidies à moins d'un degré au-dessus du zéro absolu de l'échelle de température. Les valeurs logiques 0 et 1 peuvent maintenant être réalisées de deux manières différentes. On définit soit un qubit en termes de position de l'électron à droite ou à gauche d'une double boîte quantique, ou bien par le spin de l'électron, qui peut pointer vers le haut ou vers le bas.

Le premier cas est appelé un qubit de charge, qui se couple fortement aux ondes électromagnétiques par déplacement de charge électrique. Un qubit de spin, d'autre part, peut être visualisé comme une petite aiguille de boussole qui pointe vers le haut ou vers le bas. Tout comme une aiguille de boussole, un spin est également magnétique et, donc, ne se couple pas aux champs électriques mais plutôt aux champs magnétiques. Le couplage d'un qubit de spin à la partie magnétique des ondes électromagnétiques, cependant, est beaucoup plus faible que celle d'une charge qubit à la partie électrique.

Trois rotations pour un couplage plus fort

Cela signifie que, d'un côté, un qubit de spin est moins sensible au bruit et conserve sa cohérence (sur laquelle repose l'action d'un ordinateur quantique) plus longtemps. D'autre part, il est considérablement plus difficile de coupler des qubits de spin entre eux sur de longues distances à l'aide de photons. Le groupe de recherche du professeur de l'ETH Klaus Ensslin utilise néanmoins une astuce pour rendre un tel couplage possible, comme l'explique le post-doc Jonne Koski :"En réalisant le qubit avec non pas un seul tour, mais plutôt trois d'entre eux, nous pouvons combiner les avantages d'un qubit de spin avec ceux d'un qubit de charge."

En pratique, cela se fait en produisant trois points quantiques sur une puce semi-conductrice qui sont proches les uns des autres et peuvent être contrôlés par des tensions appliquées par de minuscules fils. Dans chacun des points quantiques, les électrons avec des spins pointant vers le haut ou vers le bas peuvent être piégés. En outre, l'un des fils relie le trio de spins à un résonateur micro-ondes. Les tensions aux points quantiques sont maintenant ajustées afin d'avoir un seul électron dans chaque point quantique, avec les spins de deux des électrons pointant dans la même direction et le troisième spin pointant dans la direction opposée.

Déplacement de charge par effet tunnel

Selon les règles de la mécanique quantique, les électrons peuvent également faire des allers-retours entre les points quantiques avec une certaine probabilité. Cela signifie que deux des trois électrons peuvent temporairement se trouver dans la même boîte quantique, avec un point quantique restant vide. Dans cette constellation, la charge électrique est maintenant inégalement répartie. Ce déplacement de charge, à son tour, donne naissance à un dipôle électrique qui peut se coupler fortement au champ électrique d'un photon micro-onde.

Les scientifiques de l'ETH ont pu détecter clairement le fort couplage en mesurant la fréquence de résonance du résonateur micro-ondes. Ils ont observé comment la résonance du résonateur s'est divisée en deux à cause du couplage au trio de spins. À partir de ces données, ils ont pu déduire que la cohérence du qubit de spin est restée intacte pendant plus de 10 nanosecondes.

Spin trios pour un bus quantique

Les chercheurs sont convaincus qu'il sera bientôt possible de réaliser un canal de communication d'informations quantiques entre deux qubits de spin en utilisant cette technologie. "Cela va nous obliger à mettre des trios de spins à chaque extrémité du résonateur micro-ondes et à montrer que les qubits sont ensuite couplés les uns aux autres par l'intermédiaire d'un photon micro-onde", dit Andreas Landig, premier auteur de l'article et Ph.D. étudiant dans le groupe d'Ensslin. Ce serait une étape importante vers un réseau de qubits de spin spatialement distribués. Les chercheurs soulignent également que leur méthode est très polyvalente et peut être directement appliquée à d'autres matériaux tels que le graphène.