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Les ions de terres rares pourraient ouvrir la voie aux réseaux et mémoires quantiques

L’interaction de la lumière avec les nanocristaux de terres rares donne un nouvel élan à la quête actuelle concernant les réseaux et de communications quantiques. À l’échelle nanométrique, les qubits de terres rares peuvent fidèlement préserver les informations quantiques plus longtemps que les autres qubits à l’état solide contrôlés par la lumière.

Économie numérique
Recherche fondamentale

Les technologies quantiques utilisent certains aspects étranges de la physique quantique pour coder et transférer des informations. Il s’agit de la superposition quantique [où les particules peuvent exister simultanément dans deux états quantiques différents (qubits)], et de l’intrication quantique où les particules partagent leur état quantique d’une manière qui est impossible dans les systèmes classiques. Les qubits sont des entités délicates qui doivent être soigneusement isolées des forces extérieures. Dans le cas contraire, la fragile superposition se délite en un état de calcul traditionnel – un ou zéro. Les systèmes atomiques tels que les éléments des terres rares dans les nanocristaux offrent un moyen de générer des qubits avec un très faible niveau de bruit, et donc de maintenir la cohérence quantique requise pour des applications quantiques. «Les ions de terres rares dans les matériaux en vrac peuvent conserver la cohérence optique et de spin pendant une longue période. Nous avons montré que cette propriété unique est préservée dans une large mesure à l’échelle nanométrique», explique Philippe Goldner, coordinateur du projet NanOQTech, financé par l’UE. Pour vérifier leur théorie, les chercheurs ont synthétisé des cristaux de différentes tailles dopés avec de l’europium, du praséodyme et de l’erbium, et ont mesuré les temps de cohérence de leurs états quantiques optiques et de spin. L’équipe a notamment constaté que les temps de cohérence optique les plus longs, à savoir 3 µs et 6 µs, étaient ceux des cristaux dopés à l’europium de 60 nm et 100 nm, respectivement.

Les ions de terres rares voient la lumière

L’objectif principal de NanOQTech était de construire des dispositifs quantiques hybrides à l’échelle nanométrique qui se couplent efficacement à la lumière. «Grâce aux longs temps de cohérence de leurs états quantiques, les qubits de terres rares couplés à des microcavités peuvent fonctionner comme des systèmes quantiques hybrides, avec de nombreuses applications potentielles dans la science de l’information quantique», note Philippe Goldner. Pour être utiles aux applications quantiques, les ions de terres rares et les microcavités doivent être maintenus à des températures très basses (cryogéniques). L’équipe du projet a réussi à coupler efficacement quelques ions de terres rares et une microcavité à base de fibres dans des cryostats à cycle fermé. L’expérience des chercheurs de NanOQTech a démontré le potentiel de communication optique avec un seul ion de terre rare à l’intérieur de la microcavité à base de fibres, un phénomène d’un intérêt considérable pour le stockage d’informations quantiques. Bien que le projet n’ait pas réussi à détecter un seul ion dans la cavité, il a étudié la manière dont un fort effet Purcell (avec des facteurs de Purcell allant jusqu’à 150) améliorait l’interaction optique avec 10 ions de terres rares. En fin de compte, les chercheurs du projet ont fabriqué des systèmes hybrides qui peuvent interagir avec les ions de terres rares et pourraient donc exploiter les propriétés quantiques transférées pour activer de nouvelles fonctionnalités. «Les ions de terres rares peuvent former une interface quantique entre la lumière et d’autres systèmes, dans notre cas, les plasmons de graphène et les oscillateurs mécaniques», observe Philippe Goldner. Le projet a défini les nanostructures dopées aux terres rares comme une nouvelle plateforme pour les technologies quantiques optiques. Les nanoparticules développées dans le cadre de NanOQTech ont démontré des temps de cohérence inégalés de leurs états quantiques optiques et de spin. Les travaux du projet ouvrent la voie à la construction de réseaux quantiques qui peuvent transmettre des informations par le biais de qubits à l’état solide. Comparés aux qubits à l’état solide basés sur des défauts de type atomique dans le diamant ou les points quantiques, les qubits de terres rares possèdent une durée de vie plus longue, une meilleure stabilité et un fort potentiel en tant que systèmes quantiques évolutifs.

Mots‑clés

NanOQTech, ion de terre rare, cohérence, qubits à l’état solide, réseau quantique, état quantique de spin, microcavité à base de fibres, stockage d’informations quantiques, graphène, résonateurs mécaniques

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