Coherent oscillations in weakly anharmonic NbSe2 qubit

La quête de la construction de machines capables de penser et de calculer de manières impossibles pour les ordinateurs d'aujourd'hui repose sur une unité d'information minuscule et fragile appelée qubit. Contrairement aux bits des ordinateurs standards qui sont soit zéro, soit un, un qubit peut exister dans un état délicat de l'un et de l'autre à la fois, mais seulement s'il est maintenu parfaitement isolé du monde bruyant et chaotique qui l'entoure. Pour y parvenir, les scientifiques utilisent souvent des circuits supraconducteurs, qui sont des boucles électriques transportant le courant sans aucune résistance, mais uniquement lorsqu'ils sont refroidis à des températures proches du zéro absolu. Le cœur de ces circuits est une jonction spéciale qui agit comme un gardien, permettant au qubit de se comporter comme un oscillateur quantique. Pendant des années, les chercheurs ont construit ces jonctions en utilisant l'aluminium, un matériau doté d'un processus de fabrication bien maîtrisé. Cependant, l'aluminium a des limites ; il est sujet aux défauts microscopiques et peine à fonctionner dans des champs magnétiques puissants, ce qui empêche les scientifiques d'utiliser ces outils quantiques puissants pour certains types de travaux de détective cosmique, tels que la recherche de particules invisibles qui pourraient constituer la matière noire.

Pour surmonter ces barrières, une équipe de chercheurs s'est tournée vers une classe différente de matériaux connus sous le nom de solides de van der Waals. Imaginez ces matériaux comme des empilements de feuilles ultra-minces, comme un jeu de cartes, où les couches peuvent être séparées et empilées de nouvelles manières avec une précision atomique. Ces matériaux offrent une structure interne plus propre et plus parfaite que l'aluminium, protégeant potentiellement le qubit des défauts qui causent la perte de son état quantique. Bien que les scientifiques aient déjà réussi à fabriquer des qubits à partir du graphène, une couche unique de carbone, ils n'ont pas encore réussi à créer un qubit fonctionnel à partir d'autres candidats prometteurs de cette famille. Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont réussi à construire et à tester un qubit utilisant le diséléniure de niobium, un matériau qui est non seulement un supracon conducteur, mais qui est également remarquablement résistant aux champs magnétiques. Cette réussite marque la première fois qu'un qubit est fabriqué à partir de ce matériau spécifique, ouvrant la porte à des dispositifs quantiques plus robustes qui pourraient fonctionner dans des environnements où l'aluminium échouerait.

Les chercheurs ont construit leur dispositif en prenant deux minuscules flocons de diséléniure de niobium, chacun mesurant environ dix à quinze nanomètres d'épaisseur, et en les superposant soigneusement pour créer une jonction là où les deux couches se rejoignent. Ils ont placé cette jonction délicate à l'intérieur d'une boîte creuse en aluminium, qui sert de résonateur pour aider à contrôler et à lire l'état du qubit. Pour s'assurer que la jonction fonctionne correctement, ils l'ont connectée à de larges plots d'aluminium et ont entouré l'ensemble de filtres pour bloquer la chaleur parasite et le rayonnement. L'expérience s'est déroulée dans un laboratoire spécialisé où la température a été refroidie à environ vingt millikelvins, une fraction de degré au-dessus du zéro absolu, pour garantir que le matériau reste supraconducteur. En envoyant des impulsions micro-ondes dans la boîte, l'équipe a pu sonder le comportement de la jonction et voir si elle agissait comme un oscillateur quantique.

Ce qu'ils ont trouvé est un dispositif qui se comporte exactement comme un oscillateur faiblement anharmonique devrait le faire, ce qui signifie qu'il peut conserver une information quantique tout en résistant au bruit qui la détruit habituellement. Lorsque les chercheurs ont augmenté la puissance des signaux envoyés dans le dispositif, la résonance de la cavité a décalé d'une manière indiquant que le matériau se comportait comme un oscillateur à « ramollissement », un type spécifique de comportement non linéaire. Remarquablement, le dispositif est resté stable même lorsque les chercheurs ont introduit une quantité significative de bruit thermique, équivalente à cinq à dix photons supplémentaires d'énergie thermique à l'intérieur de la cavité. Ce niveau de robustesse est bien supérieur à ce qui a été observé pour d'autres qubits fabriqués à partir de matériaux similaires de type stratifié. De plus, l'équipe a démontré qu'en ajustant la puissance du signal d'entrée, elle pouvait faire basculer le comportement de l'oscillateur du ramollissement au « durcissement », changeant ainsi le signe de sa non-linéarité. Cette capacité à régler les propriétés fondamentales du dispositif suggère un haut degré de contrôle sur le système quantique.

Le test le plus critique pour tout qubit est la durée pendant laquelle il peut maintenir son état quantique avant de perdre sa cohérence, une propriété mesurée par une valeur appelée temps de relaxation. Dans cette expérience, le qubit de diséléniure de niobium a maintenu son état pendant 6,5 microsecondes, une durée qui est environ cent fois plus longue que les meilleurs résultats précédemment obtenus avec des qubits à base de graphène. Cette durée de vie prolongée est probablement due à la haute qualité cristalline du diséléniure de niobium, qui minimise les défauts internes qui perturbent habituellement les états quantiques, combinée à la capacité du matériau à supporter des courants plus élevés. L'équipe a également observé des oscillations rythmiques claires dans l'état du qubit, connues sous le nom d'oscillations de Rabi, ce qui a confirmé que le dispositif pouvait être manipulé avec précision. Bien qu'ils n'aient pas pu mesurer le temps de décohérence complet en raison de la longueur des impulsions de contrôle requises, le temps de relaxation seul représente un bond en avant massif pour cette classe de matériaux.

Ce travail constitue une démonstration puissante que les matériaux de van der Waals peuvent être intégrés avec succès dans les technologies quantiques, offrant une voie vers des dispositifs plus durables et plus polyvalents que les systèmes actuels à base d'aluminium. La capacité du diséléniure de niobium à fonctionner dans des champs magnétiques puissants est particulièrement significative, car elle suggère que ces qubits pourraient éventuellement être utilisés dans des expériences pour détecter la matière noire, une tâche qui nécessite de placer des capteurs quantiques directement à l'intérieur de magnétiques puissants là où les qubits traditionnels en aluminium cesseraient de fonctionner. Bien que le dispositif actuel présente une petite quantité de non-linéarité, ce qui limite la facilité avec laquelle il peut être utilisé pour certains types de calculs, les chercheurs notent que ce paramètre peut être affiné dans de futures conceptions en ajustant la taille de la jonction ou en utilisant des techniques de fabrication plus précises. En prouvant qu'un qubit peut être construit à partir de ce matériau et qu'il peut fonctionner avec une telle cohérence, l'étude fournit une base solide pour la prochaine génération de capteurs et d'ordinateurs quantiques, comblant le fossé entre les matériaux exotiques et les applications quantiques pratiques.