Le développement de processeurs quantiques évolutifs nécessite des qubits qui combinent de longs temps de cohérence avec un contrôle et une lecture efficaces. Les spins nucléaires dans les solides sont naturellement bien protégés du bruit ambiant, ce qui en fait des candidats prometteurs pour les mémoires quantiques à longue durée de vie. Toutefois, le principal défi a été de manipuler et de mesurer les spins nucléaires individuels dans un dispositif à l’état solide.
Des chercheurs du groupe Quantronique (SPEC, CEA-IRAMIS), en collaboration avec plusieurs partenaires français et internationaux, ont maintenant démontré le contrôle cohérent et la lecture single-shot de qubits de spin nucléaire individuels dans un cristal, avec des temps de cohérence dépassant la seconde. Ce résultat établit une nouvelle plateforme à l’état solide qui couple des spins nucléaires robustes à des résonateurs supraconducteurs.
Dans la plupart des plateformes à l’état solide explorées jusqu’à présent, les qubits sont soit rapides à contrôler mais de courte durée (comme les qubits électroniques ou supraconducteurs), soit de longue durée mais difficiles d’accès (comme les spins nucléaires). Il est essentiel de combler ce fossé pour concevoir des architectures évolutives. La présente étude relève ce défi en utilisant des spins nucléaires 183Wdansun cristal CaWO₄, situé à côté d‘ions erbium Er3. Le spin électronique d’Er3agit comme un intermédiaire (ancilla), reliant les spins nucléaires à un résonateur supraconducteur dessiné à la surface du cristal. Avec l’aide d’un détecteur de photons micro-ondes très sensible fonctionnant à 10 mK, l’équipe a pu effectuer une lecture unique sans démolition quantique de l’état du spin nucléaire, une étape clé pour toute plateforme de qubits.
Deux spins nucléaires individuels ont été caractérisés. Ils présentaient des temps de cohérence exceptionnellement longs : des temps de déphasage T₂* de 0,8 et 1,2 seconde, et des temps de cohérence de l’écho de Hahn T₂ de 3,4 et 4,4 secondes. Ces durées sont nettement plus longues que celles de la plupart des qubits à l’état solide, et comparables aux meilleures valeurs rapportées dans des matériaux spécialement conçus, tels que le silicium ou le diamant isotopiquement purifiés.
Pour manipuler les qubits, les chercheurs ont mis au point un système de contrôle par micro-ondes basé sur la stimulation Raman du système électron-nucléaire couplé. Cela leur a permis de mettre en œuvre des opérations à un ou deux qubits en quelques millisecondes. Grâce à ce contrôle, ils ont préparé un état de Bell intriqué de deux spins nucléaires avec une fidélité de 0,79. Il est important de noter que l’un de ces états se trouve dans un sous-espace sans décohérence, ce qui le rend intrinsèquement plus résistant au bruit du champ magnétique et prolonge son temps de cohérence effectif jusqu’à 1,7 seconde.
Cette preuve de concept montre que les spins nucléaires à l’état solide peuvent servir de qubits contrôlables et à longue durée de vie, ce qui ouvre des perspectives pour leur intégration dans des registres plus importants ou dans des architectures hybrides où ils pourraient être liés à des qubits supraconducteurs. Le travail a impliqué une étroite collaboration entre les partenaires universitaires, en France et à l’étranger, soulignant l’effort multidisciplinaire nécessaire pour explorer de nouveaux matériels quantiques. Au-delà du traitement quantique de l’information, les méthodes développées ici pourraient également trouver des applications dans la détection quantique et la spectroscopie de haute précision.
Référence
J. O’Sullivan, J. Travesedo, L. Pallegoix, Z.W. Huang, P. Hogan, A.S. May, B. Yavkin, S. Lin, R.-B. Liu, T. Chanelière, S. Bertaina, P. Goldner, D. Estève, D. Vion, P. Abgrall, P. Bertet, E. Flurin, Individual solid-state nuclear spin qubits with coherence exceeding seconds, Nature Physics, 2025.
Contact CEA-IRAMIS
James O’Sullivan – Groupe Quantronique, SPEC, CEA-IRAMIS, Université Paris-Saclay.