Micrographie du quantronium, premier circuit électronique constituant un bit quantique. Le dessin ajouté au centre symbolise les superpositions d’états 0 et 1 dans lesquelles ce bit peut être préparé.(Groupe Quantronique)
En microélectronique, si la mécanique quantique permet d’expliquer les propriétés des matériaux (conducteur, isolant...) l’électrodynamique des circuits reste classique. En revanche, lorsque la taille des dispositifs électroniques devient comparable à celle des atomes, ou que l’on explore les propriétés de systèmes à très basse température, une nouvelle situation apparaît : la cohérence quantique électronique s’étend à l’échelle du dispositif entier et peut influencer son comportement collectif. Les concepts macroscopiques de courant, tension, résistance ou capacitance doivent alors être redéfinis.
Les recherches développées par 3 équipes du SPEC (NanoElectronique, Quantronique et Groupe Modélisation et Théorie) portent principalement sur l'étude des :
- qubits supraconducteurs
- circuits hybrides spins-qubits supraconducteurs
- détection ultime de spins
- qubits volants dans des conducteurs quantiques balistiques (Optique quantique électronique)
- amplificateurs paramétriques Josephson à la limite quantique
- l'électrodynamique quantique des circuits
- transport quantique (courant, bruit) à haute-fréquence
- la structure électronique et la modélisation atomistique.
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Une collaboration de physiciens a réalisé un nouveau type de bit quantique supraconducteur à basse fréquence (MHz au lieu du GHz) dont la sensibilité aux charges électriques est à même de permettre le contrôle et la mesure de l’état quantique d’un micro-résonateur mécanique. Le dispositif fournit un composant qui peut permettre des avancées sur une physique nouvelle mêlant gravitation et mécanique quantique. |
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La caractérisation d’espèces paramagnétiques au sein d'un échantillon par Spectroscopie de Résonance Paramagnétique Électronique (RPE, ou en anglais Electron Spin Resonance- ESR) a de multiples applications en chimie, biologie, et même en archéologie et dosimétrie. Cette technique, vieille de 80 ans, consiste à mesurer l’absorption de rayonnement micro-onde par des spins électroniques à leur fréquence de résonance, grâce à un résonateur pour la détection. L'équipe quantronique du SPEC et ses collaborateurs développent depuis 10 ans un programme de recherche visant à utiliser l’extrême sensibilité des circuits supraconducteurs en régime quantique (refroidis à 10 mK) pour effectuer la spectroscopie RPE d’un unique spin. À la suite d’améliorations successives de la sensibilité, cet objectif ultime vient d'être atteint, au moyen d'un compteur de photons micro-ondes basé sur un qubit supraconducteur de type transmon. |
| Des chercheurs du SPEC démontrent un régime de fort couplage électrodynamique entre les photons microondes stockés dans un résonateur micro-fabriqué, et les paires de Cooper traversant une jonction Josephson polarisée en tension. Grâce à des mesures de corrélations temporelles sur les microondes émises, ils ont pu démontrer qu’un seul transfert de charge peut émettre spontanément jusqu’à 4 photons simultanément témoignant de ce fort régime d’interaction. |
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En 1983, iI a été prédit théoriquement par A. Schmid que toute jonction Josephson dans son état fondamental, shuntée par une résistance R de forte valeur ne devrait pas être supraconductrice mais isolante. Même si plusieurs expériences avaient prétendu confirmer cette théorie, des physiciens du SPEC et d'universités allemandes viennent de démontrer que l'état isolant prévu n'existe pas. Ce résultat résout ainsi le paradoxe créé par la prédiction, selon lequel à la limite R infini, aucune jonction Josephson ne devrait être supraconductrice ! |
| La détection de photons uniques est un élément clé dans le développement des technologies quantiques, où le signal résultant d'un calcul quantique peut se limiter à l'émission d'un seul photon. Mais au sein des circuits quantiques supraconducteurs à très basse température, ce sont des photons micro-onde, d'énergie cent mille fois plus faible, qui interviennent dans les processus. Avec les chercheurs de l'IRAMIS, une collaboration de chercheurs de laboratoires franciliens a développé une nouvelle méthode de mesure qui présente un rapport signal sur bruit inégalé. |
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Au sein d'un échantillon solide, réduire la température des spins est une bonne méthode pour améliorer le signal de RMN ou de RPE, puisque cela favorise leur polarisation selon la direction imposée par le champ externe appliqué. L'équipe du SPEC propose une méthode très générale et vient de montrer expérimentalement qu'il est possible de refroidir une assemblée de spins à une température inférieure à celle du cristal qui les porte, du fait de leur couplage avec le champ électromagnétique au sein d'une cavité microonde résonante accordée. |
Dans un atome, les niveaux d’énergie électroniques présentent une structure fine : certains niveaux se dédoublent du fait de l’interaction spin-orbite, qui couple le spin de l’électron à son mouvement orbital autour du noyau. Des chercheurs du Groupe Quantronique viennent de révéler une structure analogue dans le spectre d’excitation d’un circuit électrique supraconducteur comprenant un nanofil semiconducteur, au sein duquel le couplage spin-orbite est très fort. D’une façon remarquable, le spin d’un seul électron dans le nanofil a un effet mesurable sur les propriétés électriques globales du circuit, qui comprend plus d’un trillion d’électrons.
| La résonance magnétique a un impact important dans nos vies de tous les jours, de l’imagerie médicale au contrôle qualité dans la production de bière. Cette technique utilise de puissants aimants et des impulsions radio-fréquence ou micro-ondes pour révéler de faibles concentrations de molécules dans une substance. Améliorer la sensibilité – ce qui peut être obtenu en augmentant le signal ou en réduisant le bruit – permet à de plus faibles quantités de matériel d’être mesurées et constitue donc une quête incessante de la discipline. |
Les photons intriqués jouent un rôle fondamental pour la compréhension et la vérification expérimentale des aspects les plus spectaculaires de la physique quantique, notamment dans les expériences de violation des inégalités de Bell. En outre, ils constituent des ressources potentielles pour des protocoles de télécommunication et de transmission de l’informatique quantique. Nous avons récemment montré qu’une jonction Josephson polarisée en tension offre une source particulièrement simple et brillante de paires de photons intriqués.
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Les circuits électroniques exploitant les lois de la mécanique quantique ont émergé, ces dernières années, comme une plate-forme permettant de réaliser des tâches hors de portée des circuits classiques. On peut penser, par exemple, aux promesses du calcul quantique ou de l'électronique moléculaire, mais les circuits quantiques permettent également de réaliser des amplificateurs de sensibilité ultime, de communiquer via des champs électromagnétiques non-classiques, etc... La réalisation d'un circuit quantique n'est cependant pas aussi simple que celui d'un circuit classique où il suffit de rassembler et connecter des composants. Dans le monde quantique, chaque composant intéragit avec l'ensemble des éléments du circuit, ce qui conduit à de nouelles règles d'assemblage. Dans un article paru dans la revue en ligne en accès libre Physical Review X [1], des chercheurs des groupes Nanoélectronique et Quantronique du SPEC établissent ces nouvelles règles pour une large classe de composants quantiques, ouvrant ainsi la voie à une ingénierie des circuits quantiques. |
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L’émission spontanée de rayonnement est l’un des mécanismes fondamentaux par lesquels un système quantique excité retourne à l’équilibre. Dans l’espace libre, le taux d’émission spontanée, pour le retour de spins excités vers leur état fondamental, est cependant extrêmement faible (un photon émis tous les 30 000 ans !). Le temps de relaxation T1 de retour des spins à l’équilibre peut alors devenir excessivement long à basse température, rendant de nombreuses mesures tout simplement impossibles. En 1946, Purcell réalisa que la probabilité d’émission spontanée peut être fortement augmentée si un système quantique est placé dans une cavité accordée à sa fréquence de résonance [1]. Dans un article publié par la revue Nature [2]., une collaboration CEA / LCN / Université de Berkeley rapporte la première application de cet "effet Purcell" à des spins électroniques dans les solides. En couplant le spin de donneurs dans le silicium à une cavité micro-onde supraconductrice de facteur de qualité élevé et de faible volume de mode, les auteurs atteignent le régime où l’émission spontanée constitue le mode dominant de relaxation. Cela se traduit par une diminution de 3 ordres de grandeur du temps de relaxation - de 1 000 s à 1 s - lorsque la fréquence de résonance des spins est accordée à résonance avec la cavité, prouvant ainsi que la relaxation de spin peut être contrôlée à la demande. Les applications de cs résultat sont à chercher du côté de la résonance paramagnétique électronique (RPE) et de l’information quantique. En RPE, le contrôle de la relaxation de spin par la cavité devrait résoudre le problème des temps de relaxation excessivement longs à basse température, et aussi ouvrir la voie à de nouveaux protocoles de polarisation dynamique de spin nucléaire . En information quantique, ces résultats constituent un pas important vers le couplage cohérent d’un spin à des photons micro-ondes, qui pourrait mener à plus long terme vers le développement d’un futur processeur quantique basé sur des spins individuels. |
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La spectroscopie par Résonance de Spin Electronique (ESR) permet de déterminer la concentration et les propriétés des espèces paramagnétiques présentes dans un échantillon, ce qui en fait un outil d’analyse important pour la biologie et la chimie. La sensibilité des spectromètres les plus performants à l’heure actuelle ne permet cependant pas de détecter moins de 107 spins en une expérience, ce qui limite l’applicabilité de la méthode à des échantillons macroscopiques. Comme le rapporte dans un article de Nature Nanotechnology une collaboration de chercheurs autour de l'équipe quantronique du SPEC, Il est possible d’améliorer de 4 ordres de grandeur cette sensibilité en utilisant des techniques issues de la recherche sur les circuits supraconducteurs, permettant ainsi la détection de seulement 2 000 spins en une expérience et ouvrant la voie à la spectroscopie ESR de nano-échantillons. L'objectif final ? Dans le cadre du projet ERC porté par Patrice Bertet : "Pousser la sensibilité de la méthode à sa limite quantique ultime", c’est-à-dire détecter un unique spin électronique ! Outre la possibilité d’effectuer la spectroscopie ESR de molécules uniques, ceci constituerait un tout premier pas vers le développement d’un processeur quantique à base de spins individuels intriqués et mesurés par des circuits électriques supraconducteurs. |
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Localisés dans tout lien faible entre deux éléments supraconducteurs, des états électroniques bien spécifiques, appelés états d’Andreev, sont présents au sein du gap supraconducteur. Ces états sont observés par exemple dans les expériences réalisées avec des contacts à un seul atome entre deux électrodes supraconductrices. Par un dispositif original, où la boucle supraconductrice et son lien faible sont couplés à un résonateur microonde, il est possible d'exciter et suivre les populations dans une superposition de ces états. L'observation des oscillations de Rabi entre l'état fondamental et le premier état excité d'Andreev, ainsi que la mesure du temps de cohérence du système apportent la démonstration que le système constitue un nouveau type de qubit supraconducteur. |
Les états d’Andreev
Les états d’Andreev apparaissent dans les supraconducteurs inhomogènes : dans un vortex, à proximité d’une impureté magnétique, ou dans un lien faible entre deux supraconducteurs. Dans ces situations, la phase du supraconducteur, propriété macroscopique de la fonction d’onde qui décrit l’état quantique de tous les électrons de conduction, varie alors en fonction de la position. Cette inhomogénéité de la phase conduit à une frustration de la supraconductivité et les électrons au niveau de Fermi gagnent une énergie inférieure au gap supraconducteur Δ lors de la transition supraconductrice. On obtient des états localisés, appelés états d’Andreev. L’excitation d’énergie minimale correspond à une énergie inférieure à 2D, qui est l’énergie minimale pour casser une paire dans un supraconducteur homogène (1,2). Le cas le plus simple est celui d’un lien faible très court, qu’on obtient dans nos expériences en fabriquant un contact à un atome entre deux électrodes supraconductrices formant une boucle (Fig. 1). La différence de phase entre les supraconducteurs de part et d’autre du contact est contrôlée en appliquant un flux magnétique dans la boucle. Le nombre maximum d’états d’Andreev dépend uniquement du nombre de canaux de conduction, qu’on arrive à réduire à essentiellement un seul dans un contact à un atome. En excitant avec un photon microonde l’état d’Andreev depuis son état fondamental |g> (ground state), on accède à un autre état localisé |e> (excited state).
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Le futur ordinateur quantique aura besoin d’une mémoire quantique capable de stocker l’état de centaines de bits quantiques, possiblement intriqués, sur des temps très longs. Nous cherchons à réaliser ce nouveau type de dispositif quantique en utilisant un large ensemble de centres NV dans le diamant (NV pour Nitrogen-Vacancy : impuretés, constituées par un atome d’azote et une lacune d'azote dans le réseau cristallin du diamant). Ces centres possèdent un spin dont le temps de cohérence peut atteindre une seconde, ce qui en fait un milieu de stockage idéal de l’information quantique. Pour bénéficier de ces longs temps de cohérence, il est impératif d’intégrer des séquences d’écho de spins dans les protocoles de mémoire quantique, ce qui est particulièrement difficile expérimentalement. Notre expérience récente [1] est la première à montrer que cet objectif peut être atteint, avec l'observation d'échos de spins sur un ensemble de centres NV à des températures cryogéniques, avec des impulsions micro-ondes d’ultra-faible puissance (jusqu’à 100 femtoWatts) et la réinitialisation des centres NV par pompage optique. Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation d’une mémoire quantique opérationnelle à base d’ensemble de spins pour les qubits supraconducteurs. |
Depuis plus de 10 ans, le groupe Quantronique au SPEC est engagé dans un programme de recherche visant à réaliser un nouveau type de calculateur fonctionnant selon les règles de la mécanique quantique : un "ordinateur quantique". Dans ce nouveau type de machine, l’information n’est plus portée par des "bits" pouvant prendre deux états différents (0 ou 1), mais par des "bits quantiques" ou qubits, dont l’état quantique s’écrit comme une superposition de deux états de base, les états |0> et |1>. Comme la mécanique quantique autorise n’importe quelle superposition d’états à plusieurs qubits, un ordinateur quantique bénéficie d’un parallélisme massif qui le rend plus efficace dans certaines tâches qu’un ordinateur classique équivalent. Le groupe Quantronique a par exemple mis en oeuvre récemment un algorithme élémentaire plus efficace que n’importe quel algorithme classique équivalent, en utilisant un processeur quantique élémentaire à 2 qubits supraconducteurs à base de jonctions Josephson [1].
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L’effet Josephson décrit le flot de supercourant à travers un lien faible entre deux supraconducteurs, comme une jonction tunnel, un nanofil ou une molécule. Il est à la base d’une grande quantité de dispositifs (magnétomètres - SQUIDs, convertisseurs fréquence-tension de très haute précision, détecteurs de photons large bande) avec des applications allant de la médecine, à l’information quantique ou encore l'astronomie. Microscopiquement, le supercourant est porté par des états de paires de Cooper localisées au lien faible. Ces états, appelés états d’Andreev, viennent par doublets, et ont des énergies inférieures au gap supraconducteur. Les circuits Josephson existants sont basés sur les propriétés des états fondamentaux de chaque doublet et, jusqu’à maintenant, les états de paires excitées n’avaient jamais été directement détectés. Nos expériences établissent leur existence par des mesures spectroscopiques de contacts atomiques supraconducteurs [1]. |
Le spectre d’énergie d’un supraconducteur massif isolé présente un gap 2Δ autour de l’énergie de Fermi. Ce gap représente l’énergie minimale pour exciter une paire de Cooper. À un lien faible entre deux supraconducteurs, où la phase supraconductrice peut facilement être tordue, le spectre est localement modifié, avec notamment l’apparition de doublets d’états dans le gap. Ces états, appelés états d’Andreev, ont des énergies ±EA qui dépendent de la différence de phase δ entre les électrodes et de la probabilité de transmission des électrons (voir Figure 1). Comme l’énergie des états d’Andreev est inférieure au gap Δ, ils ne peuvent pas se propager dans les supraconducteurs massifs et restent ainsi localisés au lien faible. L’état d’énergie -EA correspond donc à une paire de Cooper localisée dans son état fondamental ; l’excitation de plus faible énergie est une excitation de cette paire de Cooper vers l’état d’énergie +EA.
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Une nouvelle voie de recherche est proposée pour réaliser des processeurs d’information quantique. Cette voie dite hybride combine des bits quantiques de type circuit électrique avec des systèmes quantiques microscopiques comme des ensembles de spins, afin de bénéficier des avantages respectifs de chacun. Le groupe quantronique vient de faire la démonstration d'un transfert d’information quantique entre un bit quantique supraconducteur et une mémoire quantique faite d'un ensemble de spins, portés par des centres colorés dans le diamant. |
Le calcul quantique a connu un regain d’intérêt dans les années 1990 lors de la découverte d’algorithmes quantiques capables d'effectuer très efficacement certaines tâches, comme par exemple le décryptage du code cryptographique utilisé pour la protection des transactions bancaires en ligne. Depuis, de nombreuses équipes cherchent des dispositifs capables de mettre en oeuvre ces algorithmes quantiques. Deux classes de systèmes bien distincts sont à l’étude depuis de nombreuses années :
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les objets microscopiques, naturellement quantiques, tels que les atomes ou les spins de particules, qui ont l'avantage de présenter des temps de cohérence longs, mais qui restent difficiles à manipuler
- les "qubits" macroscopiques, comme les circuits électriques supraconducteurs, bien plus commodes à manipuler, mais dans lesquels l’information quantique n’est conservée qu’un temps limité.
English versionLes expériences de violation d'une inégalité de Bell avec deux objets séparés dans l'espace sont considérées comme la meilleure preuve de la nature intrinsèquement quantique du monde : les états des deux objets peuvent être si intimement liés (les physiciens disent "intriqués") que parler de l'état de chacun d'eux n'a plus de sens, même lorsqu'ils sont très éloignés l'un de l'autre.
Les éditeurs de la revue "Physical Review Letters" ont récemment attribué le label "Editor's suggestion" à un article du groupe Quantronique du SPEC (Service de Physique de l'Etat Condensé): Phase Controlled Superconducting Proximity Effect Probed by Tunneling Spectroscopy, Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 197002". Par ce label les éditeurs souhaitent mettre en avant un petit nombre d'articles qu'ils considèrent comme particulièrement clairs et susceptibles d'intéresser des lecteurs en dehors de leur spécialité.
Cet article permet de donner pour la première fois une vue élégante, claire et complète de "l'effet de proximité supraconducteur". Cet effet se produit aux interfaces entre métaux supraconducteur (S) et métaux résistifs "normaux" (N), où la supraconductivité peut "contaminer" localement le métal normal et le rendre non résistif.
