All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit

Dans la quête de la construction d'un internet quantique, les scientifiques cherchent un moyen de déplacer des informations délicates entre de minuscules ordinateurs stationnaires sans les perdre en chemin. Ces ordinateurs, appelés qubits, reposent souvent sur le spin d'un électron — une propriété qui agit comme une minuscule aiguille de boussole interne — pour stockérer des données. Le défi est que ces aiguilles sont incroyablement sensibles ; la moindre vibration ou le moindre murmure magnétique de l'environnement peut brouiller l'information, provoquant l'oubli de ce que l'ordinateur était en train de faire. Pour résoudre ce problème, les chercheurs se sont longtemps tournés vers la lumière, ou les photons, pour transporter les messages entre les nœuds. Cependant, la lumière occupe beaucoup d'espace et peut facilement interférer avec elle-même. Une alternative plus compacte est le phonon, une particule de son ou de vibration qui voyage à travers des matériaux solides. Comme les ondes sonores sont beaucoup plus petites que les ondes lumineuses et interagissent fortement avec les matériaux qu'elles traversent, elles offrent une voie prometteuse pour construire des réseaux denses et efficaces sur une seule puce. Mais pour utiliser le son comme messager, les scientifiques ont d'abord dû prouver qu'ils pouvaient protéger le qubit stationnaire du bruit tout en utilisant simultanément le son pour le contrôler, une tâche qui semblait presque impossible car les méthodes utilisées pour isoler le qubit entravaient souvent les méthodes utilisées pour communiquer avec lui.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Harvard et de l'Université de Chicago a maintenant démontré un moyen de parvenir à cet équilibre délicat en utilisant un type spécifique de défaut dans un cristal de diamant appelé lacune de silicium. Dans leur expérience, ils ont placé une puce de diamant unique à l'intérieur d'un réfrigérateur ultra-froid pour geler les vibrations thermiques aléatoires. Sur ce diamant, ils ont construit de minusques doigts métalliques, connus sous le nom de transducteurs interdigitaux, qui agissent comme des haut-parleurs convertissant les signaux électriques en ondes mécaniques. Lorsqu'ils ont envoyé un signal micro-onde spécifique dans ces haut-parleurs, cela a généré un flux continu d'ondes sonores qui ont voyagé à travers la surface du diamant. Ces ondes ne se sont pas contentées de passer à côté de la lacune de silicium ; elles ont secoué le réseau cristallin selon un rythme précis qui correspondait à la fréquence naturelle du spin de l'électron. Ce secouement constant a créé un nouvel état stable pour l'électron, protégeant efficacement l'électron du bruit magnétique chaotique de l'environnement environnant.

Les chercheurs ont découvert qu'en maintenant ce champ mécanique actif, ils pouvaient prolonger le temps pendant lequel l'électron conservait son information de plus de trois fois par rapport à lorsque le champ était éteint. Dans l'état calme et non protégé, la mémoire de l'électron durait environ 680 nanosecondes avant de s'estomper. Avec la protection mécanique continue, ce temps s'est étendu à plus de 2 microsecondes. Cette protection fonctionnait parce que le secouement constant rendait l'électron moins sensible aux fluctuations magnétiques lentes et dérivantes qui causent habituellement des erreurs. Crucialement, l'équipe a montré qu'elle pouvait toujours lire et écrire des informations sur cet électron protégé en utilisant les mêmes ondes sonores. Ils ont utilisé une seconde impulsion sonore, plus faible, pour inverser l'état de l'électron et un laser pour observer ce qui se passait. Cela a prouvé que l'électron pouvait être à la fois protégé du bruit et contrôlé par le son, une combinaison qui constituait auparavant un obstacle majeur à la construction de réseaux basés sur les phonons.

Au-delà de la simple protection de la mémoire, l'équipe a découvert que sa méthode permettait un contrôle incroyablement rapide. Ils ont été capables de faire osciller le spin de l'électron d'avant en arrière à une fréquence de 800 millions de fois par seconde, une vitesse qui établit un nouveau record pour ce type de système. Ce basculement rapide est essentiel pour effectuer des calculs complexes rapidement avant que l'information n'ait une chance de se dégrader. Les chercheurs ont atteint cette vitesse car leur installation convertissait les signaux électriques en contrainte mécanique avec une grande efficacité, leur permettant de piloter l'électron beaucoup plus vigoureusement que les méthodes précédentes reposant sur des champs magnétiques. Ils ont également observé qu'à ces vitesses extrêmes, le comportement de l'électron devenait plus complexe, présentant plusieurs fréquences à la fois, ce qui suggère que le système entre dans un nouveau régime de physique où les modèles simples standards ne s'appliquent plus.

La portée de ce travail réside dans sa capacité à unifier deux besoins auparavant conflictuels : le besoin d'isoler un qubit du bruit et le besoin d'interagir fortement avec lui. En utilisant les ondes sonores pour créer un bouclier protecteur qui est aussi l'outil de contrôle, les chercheurs ont ouvert la voie à des portes quantiques de haute fidélité, qui sont les opérations de base nécessaires au fonctionnement d'un ordinateur quantique. Ils ont démontré que l'information pouvait être initialisée et lue directement par la lumière, sans nécessiter d'étapes supplémentaires compliquées pour transférer l'état. Cette simplicité, combinée à la vitesse et au temps de mémoire prolongé, suggère que les lacunes de silicium pourraient servir de nœuds stationnaires pour un futur réseau quantique où l'information serait acheminée par le son. Bien que les chercheurs aient noté que la chaleur générée par les ondes sonores doit être soigneusement gérée pour maintenir le diamant suffisamment froid, leurs résultats montrent que l'échange est gérable et que les bénéfices de cette approche entièrement mécanique sont substantiels. Ce travail représente une étape cruciale vers des réseaux quantiques sur puce robustes qui pourraient un jour relier les ordinateurs quantiques en utilisant les vibrations du monde solide lui-même.