Première intrication entre un photon et un qubit de spin de trou dans le silicium

Les spins des électrons ou de leurs lacunes (trous) sont des candidats prometteurs pour encoder l'information quantique car ils peuvent être isolés dans des boîtes quantiques de silicium, grâce à une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) compatible avec les procédés industriels de la micro-électronique (La micro-électronique est une spécialité du domaine de l'électronique.).

À la différence des spins électroniques, les spins de trous peuvent être manipulés par un champ électrique. Ils présentent en effet une forte "interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) spin-orbite", ainsi le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) d'un trou induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) par un champ électrique se couple à l'état du spin via "l'interaction spin-orbite". Pour la première fois, des chercheurs de l'Irig sont parvenus à utiliser cet effet pour coupler, de manière cohérente, un spin de trou dans le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) à un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire...).

Oscillations et résonance de spin de trou sur la même fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...)

Comment ont-ils procédé ? "Dans le canal d'un transistor silicium fabriqué au CEA-Leti, nous avons piégé un trou entre deux grilles à très basse température (T=10 mK), puis nous avons connecté l'extrémité d'un résonateur supraconducteur micro-onde à l'une des deux grilles. Lorsqu'un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) est piégé dans le résonateur, celui-ci va induire des fluctuations de champ électrique directement délivrées sur la grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du...) du transistor ayant pour conséquence de faire osciller le trou dans le canal du transistor. La magie opère lorsque la fréquence de ces oscillations est exactement égale à la fréquence de résonance du spin du trou", explique Cécile Xinquing Yu, étudiante en thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est...) à l'Irig.

En effet dans cette configuration le photon est absorbé pour faire passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) le spin de l'état ↓ à l'état ↑ puis re-émis en faisant passer le spin du trou de l'état ↑ à l'état ↓ et ainsi de suite. La vitesse (On distingue :) de cette "absorption/émission" étant directement liée à la force du couplage entre le spin et le photon.

En variant l'orientation du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...), les chercheurs ont suivi cette vitesse d'absorption/émission. Les résultats obtenus, comparés à un modèle théorique, établissent bien que le spin et le photon s'intrique grâce à l'interaction spin-orbite. A noter que le plus fort couplage observé transforme le photon en une excitation de spin en moins de trois nanosecondes ! "Ces résultats indiquent donc que les qubits de spin de trou piégés dans des transistors silicium et les photons micro-onde peuvent se parler très vite, bien plus vite que leur temps de cohérence", affirme Romain Maurand, physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) de l'Irig. Ainsi il devient envisageable d'échanger un photon entre plusieurs spins pour réaliser une intrication spin-spin à longue distance ce qui pourrait être avantageux pour la réalisation de processeurs quantiques à base de qubits de spin silicium.

Références

Yu CX, Zihlmann S, Abadillo-Uriel JC, Michal VP, Rambal N, Niebojewski H, Bedecarrats T, Vinet M, Dumur E, Filippone M, Bertrand B, De Franceschi S, Niquet YM and Maurand R
Strong coupling between a photon and a hole spin in silicon.
Nature Nanotechnology, 2023.