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.
Il est ainsi tentant de chercher à combiner ces deux systèmes pour former des circuits quantiques « hybrides » afin de bénéficier des propriétés avantageuses de chacun. De telles structures hybrides combinant systèmes microscopiques de spins et qubits supraconducteurs combleraient le fossé séparant « l'optique quantique » et « les systèmes solides » pour le traitement de l'information quantique.
Dans cette voie et pour la première fois [2], le transfert d’information quantique dans une structure hybride a été réalisé par des chercheurs d'une collaboration du CEA (IRAMIS/SPEC et LIST), du CNRS (LPQM, ENS de Cachan, Institut Néel, et CEMHTI-Orléans). Le transfert a été réalisé entre un qubit supraconducteur (une boîte à paires de Cooper et son système de lecture rapide développé au laboratoire) et un ensemble de spins (centres colorés azote-lacune – NV : nitrogen vacancy – dans un cristal de diamant).
Un centre NV se compose d'un atome d'azote en substitution et d'une lacune adjacente piégeant un électron. L'état électronique fondamental du système a un spin S = 1, et des états séparés par 2.87 GHz en champ magnétique nul.
Les deux systèmes interagissent via un résonateur micro-onde accordable [1]. Une fois le qubit préparé dans un certain état quantique, cet état est transféré au résonateur. En accordant ensuite le résonateur sur la fréquence des spins, l’information quantique oscille entre ces deux systèmes. L’information quantique présente dans le résonateur est ensuite re-transférée vers le qubit, puis mesurée.
L’expérience réalisée en partant de l’état excité du qubit montre des oscillations cohérentes mais amorties du qubit. Elle constitue une preuve de principe d’une mémoire quantique basée sur un ensemble de spins. Il s’agit maintenant d’allonger le temps de vie encore faible de cette mémoire.
Ce travail se poursuit vers l'étude du tranfert d'information entre des micro-ondes ou des photons optiques et le stockage de l'information quantique dans les spins nucléaires des atomes d'azote, qui ont des temps de cohérence quantique bien supérieurs à ceux des spins électroniques.
Références :
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[1] Strong coupling of a spin ensemble to a superconducting resonator, Y. Kubo, F. R. On1, P. Berte1, D. Vion, V. Jacques, D. Zheng, A. Dréau, J.-F. Roch, A. Auffeves, F. Jelezko, J. Wrachtrup, M. F. Barthe, P. Bergonzo, and D. Esteve, Phys. Rev Lett. 105 (2010) 140502. |
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Viewpoint: Towards superconductor-spin ensemble hybrid quantum systems T. Duty, (Centre for Engineered Quantum Systems / School of Mathematics and Physics, University of Queensland, Australia), Physics 3 (2010) 80. |
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[2] Hybrid quantum circuit with a superconducting qubit coupled to a spin ensemble, Y. Kubo, C. Grezes, A. Dewes, T. Umeda, J. Isoya, H. Sumiya, N. Morishita, H. Abe, S. Onoda, T. Ohshima, V. Jacques, A. Dréau, J.-F. Roch, I. Diniz, A. Auffeves, D. Vion, D. Esteve, and P. Bertet, Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 220501. |
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Collaboration :
1Quantronics group, SPEC (CNRS URA 2464), IRAMIS, DSM, CEA, 91191 Gif-sur-Yvette, France
2LPQM (CNRS UMR 8537), ENS de Cachan, 94235 Cachan, France
3Institut Néel–CNRS-UJF Grenoble, France
43. Physikalisches Institut, Universität Stuttgart, 70550 Stuttgart, Germany
5CNRS, UPR3079 CEMHTI, 1D avenue de la Recherche Scientifique, 45071 Orléans, France
6CEA, LIST, Diamond Sensors Laboratory, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
Contact CEA : Denis Vion