Des ondes sonores microscopiques pourraient résoudre un problème majeur en informatique quantique
Des chercheurs de l’École d’ingénierie et des sciences appliquées John A. Paulson de Harvard (SEAS) ont mis au point une nouvelle méthode pour protéger des informations quantiques délicates en utilisant des vibrations mécaniques, essentiellement des ondes sonores microscopiques. Cette avancée, développée dans le laboratoire de Marko Lončar, professeur d’ingénierie électrique, pourrait soutenir le développement de réseaux quantiques compacts intégrés directement sur des puces. Elle pourrait également faciliter la création de systèmes quantiques hybrides combinant plusieurs types de bits quantiques, ou qubits.
Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Nature Physics. Les expériences ont été dirigées par Eliza Cornell, une récente diplômée de doctorat du laboratoire Lončar, actuellement chercheuse postdoctorale à l’Université de Boston, et Zhujing Xu, un ancien chercheur postdoctoral du groupe de Lončar.
Utilisation du son pour transporter des informations quantiques
Une approche prometteuse pour le réseautage quantique utilise le spin d’un électron associé à une impureté dans le diamant pour stocker des informations quantiques. De minuscules paquets de vibrations mécaniques appelés phonons peuvent ensuite servir de transporteurs d’informations entre les nœuds de qubits. Le laboratoire Lončar a joué un rôle majeur dans l’exploration du potentiel de ces systèmes, notamment à travers une structure appelée cavité phononique, qui piège les vibrations mécaniques afin qu’elles interagissent plus fortement avec le spin électronique à l’intérieur d’un qubit.
Les phonons présentent des avantages importants par rapport à la lumière, utilisée plus couramment pour déplacer des informations quantiques à travers des réseaux à l’échelle des puces. À la même fréquence, les phonons ont des longueurs d’onde beaucoup plus courtes que la lumière, permettant ainsi de construire des composants considérablement plus petits et de les empaqueter plus étroitement.
Le défi de la préservation de la mémoire quantique
Cependant, l’utilisation des phonons pose un défi majeur : la protection de la mémoire quantique. Les qubits sont extrêmement sensibles aux perturbations de leur environnement et doivent préserver leur état quantique suffisamment longtemps pour stocker et traiter des informations, une capacité connue sous le nom de cohérence. Les chercheurs protègent souvent les mémoires quantiques des interférences environnementales en utilisant des impulsions micro-ondes qui découpent ou séparent la mémoire du bruit environnant. Ces techniques ne fonctionnent pas particulièrement bien pour les qubits placés à l’intérieur de cavités phononiques, rendant difficile l’atteinte d’une forte interaction avec les phonons tout en maintenant une mémoire quantique durable dans le même dispositif.
Qubits « habillés » protégés par le son
L’équipe de SEAS a abordé ce problème en démontrant ce qu’elle décrit comme une « protection de cohérence entièrement mécanique » pour un spin de vacance de silicium dans le diamant. Au lieu de s’appuyer sur des impulsions micro-ondes conventionnelles, les chercheurs ont appliqué en continu un champ de pilotage mécanique composé de phonons, transformant ainsi le qubit en un état quantique différent connu sous le nom de qubit « habillé ». Ce terme fait référence au fait que le qubit « porte » effectivement un champ acoustique continu, le rendant moins vulnérable au bruit à basse fréquence de son environnement.
Cette protection, provenant d’un champ mécanique continu compatible avec les cavités phononiques, pourrait fonctionner à l’intérieur des mêmes structures qui pourraient éventuellement relier des nœuds stationnaires dans des réseaux quantiques. Cela confère aux phonons un rôle potentiellement puissant, transportant des informations quantiques tout en protégeant ces informations du bruit environnemental.
Avec cette nouvelle méthode, les chercheurs ont réussi à augmenter le temps de cohérence du spin de vacance de silicium d’environ trois fois. Ce résultat montre que la suppression du bruit mécanique à ondes continues peut prolonger la cohérence quantique dans des dispositifs réels, suggérant que les ondes sonores microscopiques pourraient devenir un outil important pour la construction de systèmes quantiques plus fiables et compacts.
Cette recherche a reçu un soutien fédéral américain de la part de la National Science Foundation, de l’Air Force Office of Scientific Research, ainsi que de Q-NEXT, un centre de recherche sur l’information quantique au sein du ministère de l’Énergie des États-Unis.
Source : Nature Physics
