Molecular spin qubits in a van der Waals bottle

La quête de la construction d'un ordinateur quantique commence souvent par un problème simple et frustrant : les bits quantiques, ou qubits, qui détiennent l'information sont incroyablement fragiles. Dans le monde quantique, une particule peut exister dans une superposition d'états, détenant plusieurs possibilités à la fois, mais le moindre contact de son environnement — une vibration parasite, un champ magnétique proche ou un choc contre une surface — peut provoquer son effondrement dans un état unique et ordinaire. Cette perte d'information est appelée décohérence, et c'est le principal obstacle qui empêche les scientifiques de créer des machines quantiques fiables. Bien que des chercheurs aient construit des qubits à partir d'atomes piégés ou de circuits supraconducteurs, il existe un intérêt croissant pour l'utilisation de molécules individuelles comme qubits. Ces qubits de spin moléculaire sont minuscules, chimiquement ajustables et peuvent être conçus avec une précision atomique. Cependant, le fait de les placer dans un dispositif solide détruit généralement leur état quantique délicat car le matériau environnant crée trop de bruit. Le défi a été de trouver un moyen d'héberger ces molécules fragiles dans une structure solide sans que la structure n'écrase leur nature quantique.

Une équipe de chercheurs a maintenant trouvé une solution en se tournant vers l'architecture unique des matériaux bidimensionnels. Ils ont découvert qu'en piégeant des qubits moléculaires à l'intérieur des interstices microscopiques entre les couches de certains cristaux, ils pouvaient protéger les molécules de l'environnement et prolonger considérablement le temps pendant lequel elles restent cohérentes. L'équipe a utilisé une molécule appelée cobaltocène, qui contient un seul atome de cobalt avec un spin magnétique, comme sujet de test. Ils ont inséré ces molécules dans les interstices de deux matériaux cristallins différents, le disulfure d'étain et le thiophosphate de cadmium, qui sont maintenus ensemble par des forces faibles plutôt que par des liaisons chimiques fortes. Cette méthode, connue sous le nom de confinement de van der Waals, a permis aux molécules de se glisser à l'intérieur des couches cristallines sans former de liens chimiques destructeurs. Une fois à l'intérieur, les molécules ont été forcées dans un arrangement spécifique et ordonné, créant efficacement une « bouteille » qui les protégeait des vibrations chaotiques et des interactions qui font habituellement disparaître l'information quantique.

Les résultats de ce confinement ont été frappants. Lorsque les molécules de cobaltocène étaient non confinées, leur état quantique ne durait que quelques microsecondes avant de s'estomper. Mais lorsqu'elles étaient placées à l'intérieur des interstices cristallins, leur durée de vie a été multipliée par plus de deux cents. Dans les cas les plus réussis, les molécules ont maintenu leur état quantique pendant plus d'une milliseconde, une amélioration massive qui les rapproche des échelles de temps nécessaires à une informatique pratique. Les chercheurs ont déterminé que cette protection provenait de la manière dont les couches cristallines modifiaient le paysage énergétique interne de la molécule. L'espace étroit de l'interstice a modifié la façon dont la molécule vibrait et la façon dont ses électrons se déplaçaient, neutralisant efficacement les voies spécifiques qui drainent habituellement l'énergie du spin. C'était comme si les couches cristallines agissaient comme une pièce insonorisée, bloquant le bruit qui perturbe typiquement le signal quantique.

Au-delà de la simple extension de la durée de vie du qubit, le confinement a également forcé les molécules à s'aligner de manière précise et prévisible. En utilisant une technique appelée résonance paramagnétique électronique, qui mesure la façon dont les spins magnétiques répondent aux ondes radio, l'équipe a observé que les molécules se tenaient debout dans une orientation uniforme, plutôt que de basculer de manière aléatoire. Cet arrangement ordonné est crucial pour construire un dispositif quantique fonctionnel, car il permet aux scientifiques d'adresser et de contrôler les qubits individuels avec une grande précision. L'étude a également révélé que les molécules formaient un motif répétitif en forme de grille au sein des couches cristallines, créant un super-réseau où chaque qubit repose dans un environnement identique. Cette auto-assemblage suggère que la méthode pourrait être étendue pour créer de vastes réseaux organisés de qubits, plutôt que de simples exemples isolés.

Les chercheurs ont également examiné de près pourquoi les molécules se comportaient si différemment à l'intérieur du cristal. Ils ont découvert que le confinement modifiait l'équilibre entre la force magnétique interne de la molécule et son interaction avec les atomes environnants. À l'état non confiné, les électrons de la molécule étaient dans un état mixte et instable qui rendait facile la fuite d'énergie. À l'intérieur du cristal, l'espace étroit a forcé les électrons à adopter un état pur et plus stable, rendant beaucoup plus difficile la perturbation de ces derniers par l'environnement. Ce changement de structure électronique a été la clé de l'amélioration spectaculaire des performances. L'équipe a confirmé que les molécules restaient chimiquement intactes et que les cristaux hôtes n'interféraient pas avec les propriétés magnétiques des qubits, si ce n'est pour fournir la protection nécessaire.

Ce travail démontre que l'interface entre une molécule et un matériau solide n'a pas à être une source de destruction. En concevant soigneusement l'espace dans lequel réside une molécule, les scientifiques peuvent transformer un environnement potentiellement destructeur en un environnement protecteur. L'étude suggère que cette approche pourrait être appliquée à d'autres types de qubits moléculaires, offrant une stratégie générale pour intégrer des systèmes quantiques fragiles dans des dispositifs solides et robustes. La capacité de placer des qubits dans un réseau déterministe et ordonné au sein d'un matériau bidimensionnel ouvre la voie à la construction de circuits quantiques complexes qui combinent la polyvalence de la chimie moléculaire avec la stabilité de l'ingénierie des solides. Bien que la technologie en soit encore à ses débuts, la preuve que la cohérence quantique peut être façonnée par le confinement spatial marque une étape importante dans le développement des futures technologies quantiques.