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Résultat majeur dans le domaine des technologies quantiques - Sylvain Bertaina (Equipe Magnétisme)

Ces travaux ont été mis à l'honneur sur le site de l'INP du CNRS:

Protéger les bits quantiques de la décohérence grâce aux photons.

Ils sont également cités dans cet article "CNRS info" concernant les travaux pour le rapport sur les technologies quantiques commandé par le gouvernement:

https://www.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/quantique-nous-proposons-de-mettre-en-place-un-programme-national-ambitieux

Description:

Le qu-bit est la brique fondamentale de l’ordinateur quantique. Très instable il a tendance à être détruit par les perturbations de l’environnement. En utilisant deux ondes électromagnétiques de fréquences proches il est possible de protéger le qu-bit des sources de décoherence et d’augmenter significativement son temps de vie.

Un bit classique représente un état bien défini 0 ou 1. Son homologue quantique utilise la superposition de 0 et 1 à la fois. Toutefois cet état est très fragile et son environnement tend à détruire le qu-bit. L’un des challenges de l’informatique quantique est de pouvoir maintenir l’information pendant une durée suffisamment longue pour réaliser des calculs. De nombreux travaux portent sur les propriétés des matériaux candidats notamment l’effet de l’enrichissement isotopique ou de la dilution magnétique extrême.  

Des chercheurs de l’Institut Matériaux Microélectronique et Nanoscience de Provence (IM2NP - CNRS/Aix-Marseille Université), du Laboratoire de Spectroscopie pour les Interactions, la Réactivité et l'Environnement (LASIRE – CNRS/Université de Lille) en collaboration avec les universités d’état de Floride (FSU) et de Groningen propose un nouveau protocole expérimental, indépendant du matériau et qui permet d’augmenter le temps de cohérence de façon significative. Ces résultats sont parus dans la revue Nature Scientific Reports.

Pour arriver à ce résultat, les physiciens ont utilisé des ondes électromagnétiques de deux fréquences. La première est celle employée dans le protocole standard de manipulation d’un qu-bit : une onde de fréquence égale à l’énergie qu’il faut pour basculer l’état 0 vers l’état 1 permet de manipuler le qu-bit. Le temps qu’il faut à l’état 0 pour passer à l’état 1 et revenir est directement lié à la puissance cette première onde et est appelé période de Rabi. La seconde onde utilisée dans ce nouveau protocole, possède une fréquence assez proche de la première onde, mais décalée de ∆. Si ∆ est choisi quelconque, aucune protection n’est observée. En revanche si ∆ est égale à la fréquence de Rabi la dissipation causée par l’environnement est compensée et le temps de vie du qu-bit est fortement augmenté. L’effet de protection est impressionnant, car le nombre de portes quantiques élémentaires a été multiplié par plusieurs milliers. Le temps de vie d’un qu-bit est habituellement limité par la relaxation transverse T2 généralement quelques millisecondes et devient maintenant limité par la relaxation longitudinale T1 qui peut atteindre plusieurs heures dans certains cas.

Ce nouveau protocole a été appliqué avec succès sur trois types de solides : le diamant, les ions métalliques et les terres rares, mais il pourrait s’adapter à d’autres types de systèmes comme les atomes froids, les supraconducteurs ou les quantum dots.

 

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Oscillations de Rabi de l’ion Mn2+. Chaque oscillation équivaut à une porte logique. Plus le nombre d’oscillations est élevé et plus l’algorithme quantique pourra être complexe. Le nouveau protocole proposé montre un nombre d’oscillations incroyablement plus élevé que le protocole standard.
Figure 1 : Oscillations de Rabi de l’ion Mn2+. Chaque oscillation équivaut à une porte logique. Plus le nombre d’oscillations est élevé et plus l’algorithme quantique pourra être complexe. Le nouveau protocole proposé montre un nombre d’oscillations incroyablement plus élevé que le protocole standard. 
 

 Figure de présentation : Représentation artistique d’un qu-bit protégé par le protocole à deux photons.© Sylvain Bertaina  -  Utilisable dans la photothèque du CNRS