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Posté par Isabelle le Lundi 17/11/2014 à 00:00
Le soliton électronique: un bit quantique résilient

Illustration: CNRS
Des physiciens viennent de mettre en évidence la possibilité de stocker de l’information quantique sur des excitations collectives d’électrons, bien moins sensibles aux perturbations que les électrons individuels.

L’information quantique est fragile. Il est donc indispensable de protéger de toute perturbation le support de cette information. Pour réaliser une mémoire quantique, la grande difficulté donc est de concevoir un système avec lequel on peut interagir suffisamment pour lire ou écrire l’information, mais qui interagit peu avec son environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie...). On utilise en général des électrons, car ce sont des aimants élémentaires que l’on peut orienter, pour stocker l’information, et qui produisent un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique susceptible d’être lu. Le problème est que si l’on cherche à stocker plusieurs bits quantiques, il faut éloigner les électrons les uns des autres de sorte qu’ils ne se perturbent pas mutuellement.

Des physiciens de l’Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) des matériaux, de microélectronique et des nanosciences de Provence - IM2NP (CNRS/Université Aix-Marseille) ont mis en évidence la possibilité de stocker un bit quantique, non pas sur un seul électron isolé, mais sur l’excitation localisée d’une soixantaine d’électrons interagissant fortement. Dans cette situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus...), c’est paradoxalement la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au...) des interactions entre électrons voisins qui préserve la nature quantique de l’information, car ces interactions sont largement dominantes par rapport à l’environnement potentiellement perturbateur. Ainsi, la distance entre bits quantiques est beaucoup moins critique, en particulier les solitons présents sur deux chaines adjacentes ne se perturbent pas. Ce résultat a été publié dans la revue Physical Review B.


Représentation schématique des solitons piégés. Les sphères bleues sont les sites magnétiques couplés entre eux. Lorsqu’un couplage est localement modifié, un soliton est piégé et polarise les sites environnants (flèches vertes).
© Sylvain Bertaina

Pour réaliser ce travail, les physiciens ont utilisé du sel de Fabre (de formule (TMTTF)2X (X=AsF6,PF6,SbF6), qui est un aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation...) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) constitué de chaînes de spins fortement corrélées par une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) antiferromagnétique isotrope uniforme ou alternée. Dans les sels de Fabre, le magnétisme est dû aux électrons présents dans des radicaux et leur interaction est isotrope, une condition nécessaire à l’effet recherché. Ces interactions sont à l’origine d’excitations localisées et stables dénommées solitons magnétiques, qui se propagent le long des chaînes.

En créant des défauts comme l’altération locale d’un couplage, les chercheurs ont piégé les solitons et les ont visualisés par résonance paramagnétique électronique (RPE). En appliquant une micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre l'infrarouge et les ondes de radiodiffusion. Le terme de micro-onde...) suffisamment longtemps, le soliton alterne (Les organes d'une plante sont dits alternes lorsqu'ils sont insérés isolément et à des niveaux différents sur une tige ou un rameau.) entre son état haut et l’état bas toutes les dizaines de nanosecondes. En stoppant l’onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...) électromagnétique à un moment très précis, les chercheurs ont mis le système dans un état superposé haut et bas en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), créant ainsi un bit quantique de soliton piégé. Ils ont vérifié que la durée de vie (La vie est le nom donné :) de cette superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une...) est de l’ordre de 2 microsondes, une durée comparable à celle observée dans des ions isolés, mais réalisée ici dans une situation d’interaction forte. Ce système a en outre l’avantage de produire naturellement des paires de solitons intriqués, l’une des briques importantes dans le traitement de l’information quantique.


Haut: Spectre RPE en onde continue de solitons piégés (SSP) dans des chaines de spins (SC) mesuré dans (TMTTF)2AsF6. Bas: Oscillations de Rabi des solitons piégés. Les points rouges sont les données expérimentales et la courbe bleue le meilleur ajustement par une sinusoïde amortie. Aussi longtemps que les oscillations de Rabi perdurent, la cohérence quantique est maintenue.
© IM2NP, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), APS

Pour plus d'information voir:
- Rabi oscillations of pinned solitons in spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la...) chains: A route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) to quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel)...) computation and communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles technologies...),...)

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Source: CNRS
 
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