Repousser les limites du contrôle quantique sur la lumière et la matière, en vue d'applications pratiques
Les systèmes basés sur la mécanique quantique présentent de nombreuses caractéristiques uniques, absentes des systèmes de mécanique classique. Ces dernières années, les chercheurs ont mis au point des méthodes systématiques pour manipuler et interroger de tels systèmes microscopiques, avec des applications en spintronique, informatique quantique, biologie, etc. Cependant, si les chercheurs ont exploré de manière intense le contrôle de petits systèmes quantiques, il reste très difficile de contrôler des systèmes de plus grande taille. Les scientifiques du projet QUANTUM CONTROL (Tailoring decoherence for controlling spin systems: Deepening foundations; expanding applications), financé par l'UE, ont utilisé un simulateur quantique basé sur le spin des noyaux pour étudier la diffusion des informations dans des systèmes de taille relativement grande. Pour s'attaquer aux grands systèmes quantiques, les scientifiques ont combiné des simulations quantiques avec des expériences de résonance magnétique nucléaire (RMN). Ils ont ainsi étudié la propagation de l'information dans des systèmes à l'état solide, avec des interactions dipolaires. Ils ont montré comment les perturbations des couplages dipolaires limitaient cette diffusion, et que pour créer de manière contrôlable des états quantiques de grande taille, il fallait réduire la force de toutes les perturbations, en dessous d'un certain seuil. Ce n'est qu'en dessous de ce seuil que le système quantique observé est libre de s'agrandir dans l'espace. L'étape suivante a été de concevoir des méthodes pour polariser les spins nucléaires, à partir d'électrons libres, en masse. Ces méthodes innovantes, ciblant des diamants avec des centres d'inoccupation de l'azote, sont compatibles avec une large gamme de forces et d'orientations de champs magnétiques. Le transfert efficace de l'alignement du spin renforce le signal émis par les noyaux des atomes, ouvrant la voie à de nouvelles méthodes pour utiliser les poudres de diamant dans les analyses par RMN. Les scientifiques se sont aussi intéressés à des séquences d'écho de spin, comme outil pour coupler et découpler les effets des perturbations aléatoires venant de l'environnement. Ce concept peut servir d'outil de diagnostic pour extraire des informations à partir des systèmes combinés. Les spins servent de sondes quantiques, dont la dynamique peut être caractérisée par des processus de diffusion. Les chercheurs de QUANTUM CONTROL ont mis au point une série de méthodes pour estimer avec exactitude les paramètres de processus physiques, chimiques et biologiques. Les séquences d'écho de spin leur ont permis de déterminer ces paramètres avec le minimum de mesures possibles. Mieux encore, ils ont pu atteindre une grande exactitude en optimisant le contrôle quantique de ces sondes de spin. L'association des ces résultats avec l'imagerie spatiale par résonance magnétique standard apporte une méthode totalement nouvelle pour mesurer l'architecture des structures microscopiques, avec une résolution extrêmement élevée. Les résultats du projet ont été décrits en détail dans de nombreuses revues renommées à comité de lecture. Les nouvelles méthodes pourraient être appliquées en science des matériaux et en biologie, pour extraire des informations de manière non invasive à partir de systèmes confinés comme des capillaires, des pores et des cellules. Elles pourraient aussi servir à préparer des états de spin nucléaire pour des mémoires quantiques, et pour l'imagerie de tissus vivants via l'observation de nano-diamants polarisés. En effet, il est possible d'injecter des nanodiamants dans un animal vivant, puis de les retirer en toute sécurité, et on peut aussi transférer leur polarisation en les mettant en contact avec d'autres solutions liquides.
Mots‑clés
Contrôle quantique, détection quantique, systèmes quantiques, ordinateurs quantiques, spin nucléaire, séquences d'écho de spin, résonance magnétique nucléaire, imagerie par résonance magnétique, centres d'inoccupation de l'azote, systèmes confinés