Systèmes quantiques hybrides

Nous développons des dispositifs quantiques hybrides qui combinent des spins dans des solides avec des circuits quantiques supraconducteurs, avec des applications dans la détection et l’informatique quantiques.

Les circuits quantiques supraconducteurs sont des détecteurs de micro-ondes exceptionnels. Les amplificateurs paramétriques Josephson amplifient linéairement de petits champs de micro-ondes avec un minimum de bruit ajouté. Les bits quantiques Josephson constituent la base des détecteurs de micro-ondes à photon unique (SMPD) opérationnels capables de détecter des signaux de fluorescence incohérents. Dans notre recherche, nous utilisons des résonateurs supraconducteurs [1], des amplificateurs [2] et des SMPD [3] pour réaliser une spectroscopie de résonance de spin électronique ultrasensible à des températures de l’ordre du millikelvin, jusqu’au niveau d’un seul spin [4-6].

Les temps de cohérence des spins peuvent atteindre quelques secondes dans des cristaux ultra-propres [6] ce qui les rend intéressants pour l’informatique quantique. Nous développons une mémoire quantique à base de spin pour les qubits supraconducteurs [8,9]. Nous développons également une nouvelle architecture d’informatique quantique basée sur des spins individuels dans des solides interfacés par des circuits supraconducteurs.

[1] Controlling Spin Relaxation with a Cavity A. Bienfait, J.J. Pla, Y. Kubo, X. Zhou, M. Stern, C.C Lo, C.D. Weis, T. Schenkel, D. Vion, D. Esteve, J.J.L. Morton, and P. Bertet, Nature 531, 74 (2016)

[2] Reaching the quantum limit of sensitivity in electron spin resonance A. Bienfait, J. J. Pla, Y. Kubo, M. Stern, X. Zhou, C. C. Lo, C. D. Weis, T. Schenkel, M.L.W. Thewalt, D. Vion, D. Esteve, B. Julsgaard, K. Moelmer, J.J.L. Morton, P. Bertet, Nature Nanotechnology 11, 253 (2016)

[3] Irreversible Qubit-Photon Coupling for the Detection of Itinerant Microwave Photons, R. Lescanne, S. Deléglise, E. Albertinale, U. Réglade, T. Capelle, E. Ivanov, T. Jacqmin, Z. Leghtas, and E. Flurin, Physical Review X, 10, 021038 (2020)

[4] Electron spin resonance spectroscopy with femtoliter detection volume, V. Ranjan, S. Probst, B. Albanese, T. Schenkel, D. Vion, D. Esteve, J. J. L. Morton, and P. Bertet, Appl. Phys. Lett. 116, 184002 (2020)

[5] Detecting spins with a microwave photon counter, Emanuele Albertinale, Léo Balembois, Eric Billaud, Vishal Ranjan, Daniel Flanigan, Thomas Schenkel, Daniel Estève, Denis Vion, Patrice Bertet, Emmanuel Flurin, Nature 600, 434 (2021)

[6] Wang, Z., Balembois, L., Rančić, M. et al. Single-electron spin resonance detection by microwave photon counting. Nature 619, 276–281 (2023)

[7] Twenty-three millisecond electron spin coherence of erbium ions in a natural-abundance crystal, Marianne Le Dantec, Miloš Rančić, Sen Lin, Eric Billaud, Vishal Ranjan, Daniel Flanigan, Sylvain Bertaina, Thierry Chanelière, Philippe Goldner, Andreas Erb, Ren Bao Liu, Daniel Estève, Denis Vion, Emmanuel Flurin, Patrice Bertet, Science Advances 7, eabj9786 (2021)

[8] Quantum Memory for Microwave Photons in an Inhomogeneously Broadened Spin Ensemble, B. Julsgaard, C. Grezes, P. Bertet, K. Moelmer, Phys. Rev. Lett. 110, 250503 (2013)

[9] Multimode storage of quantum microwave fields in electron spins over 100 ms, V. Ranjan, J. O’Sullivan, E. Albertinale, B. Albanese, T. Chanelière, T. Schenkel, D. Vion, D. Esteve, E. Flurin, J. J. L. Morton, P. Bertet, Phys. Rev. Lett. 125, 210505 (2020)