Le concept de « symétrie » est essentiel à la physique fondamentale :un élément crucial dans tout, des particules subatomiques aux cristaux macroscopiques. En conséquence, un manque de symétrie - ou une asymétrie - peut affecter considérablement les propriétés d'un système donné.

Les qubits, l'analogue quantique des bits informatiques pour les ordinateurs quantiques, sont extrêmement sensibles - la moindre perturbation dans un système qubit suffit pour qu'il perde toute information quantique qu'il aurait pu transporter. Compte tenu de cette fragilité, il semble intuitif que les qubits seraient les plus stables dans un environnement symétrique. Cependant, pour un certain type de qubit (un qubit moléculaire), l'inverse est vrai.

Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago, de l'Université de Glasgow et du Massachusetts Institute of Technology ont découvert que les qubits moléculaires sont beaucoup plus stables dans un environnement asymétrique, élargissant les applications possibles de ces qubits, en particulier en tant que capteurs quantiques biologiques.

Le travail a été publié en août dans Physical Review X .

"Les qubits moléculaires sont remarquablement polyvalents, car ils peuvent être conçus sur mesure et placés dans une variété d'environnements différents", a déclaré David Awschalom, professeur de la famille Liew en génie moléculaire et physique à UChicago, scientifique principal à Argonne, directeur du Chicago Quantum Exchange et directeur de Q-NEXT, un centre des sciences de l'information quantique du département de l'énergie. "Le développement de cette méthode de stabilisation ouvre de nouvelles portes pour les applications potentielles de cette technologie émergente."

L'utilisation d'un système en tant que qubit nécessite qu'il ait deux états quantiques pouvant correspondre à "0" et "1", comme dans un ordinateur classique. Mais les états quantiques sont fragiles et s'effondreront s'ils sont perturbés de quelque manière que ce soit. Les scientifiques quantiques ont repoussé les limites de la durée pendant laquelle un qubit peut maintenir un état quantique avant de s'effondrer, également appelé "temps de cohérence".

Protéger les qubits d'autant d'influences externes que possible est une façon d'essayer d'augmenter leur temps de cohérence, et en plaçant les qubits moléculaires dans un réseau de cristaux asymétriques, Awschalom et son équipe ont découvert que certains états quantiques étaient beaucoup moins sensibles aux champs magnétiques externes, et avaient donc des temps de cohérence plus longs :10 µs, contre 2 µs pour des qubits identiques dans un réseau de cristaux symétriques.

Dan Laorenza, un étudiant diplômé en chimie au MIT qui a travaillé sur le projet, affirme que l'environnement asymétrique fournit une "protection de la cohérence" qui pourrait permettre aux qubits de conserver leurs informations quantiques même s'ils sont placés dans des endroits plus chaotiques.

"Nous comprenons maintenant un mécanisme direct et fiable pour améliorer la cohérence des qubits moléculaires dans des environnements magnétiquement bruyants", a-t-il déclaré. "Plus important encore, cet environnement asymétrique est facilement transposable à de nombreux autres systèmes moléculaires, en particulier pour les molécules placées dans des environnements amorphes comme ceux que l'on trouve en biologie."

Les capteurs quantiques Qubit ont une myriade d'applications potentielles dans les systèmes biologiques, en particulier dans des contextes médicaux ; mais ces systèmes sont connus pour être non structurés et bruyants, ce qui rend le maintien de la cohérence de ces capteurs qubit un défi très difficile. Comprendre pourquoi un environnement asymétrique stabilise les qubits moléculaires contre les champs magnétiques pourrait conduire à de meilleurs capteurs dans ces domaines de recherche. + Explorer plus loin

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