Protéger les bits quantiques de la décohérence grâce aux photons

Publié par Adrien le 03/02/2021 à 09:00
Source: CNRS INP

© Sylvain Bertaina
En utilisant deux ondes électromagnétiques de fréquences proches, des chercheurs ont démontré qu'il est possible de protéger un qubit, équivalent quantique du bit informatique, des sources de décohérence et d'augmenter significativement son temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de vie (La vie est le nom donné :).

Le qubit (On nomme qubit (quantum + bit ; prononcé /kyoobit/), parfois écrit qbit, l'état quantique...) est la brique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de l'ordinateur quantique (Un ordinateur quantique (ou rarement calculateur quantique) repose sur des propriétés quantiques...). Si un bit classique représente un état bien défini 0 ou 1, son homologue quantique peut se trouver à la fois dans l'état 0 et 1. Toutefois, cet état de superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut...) demeure très fragile et son environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) tend à détruire le qubit. L'un des défis de l'informatique quantique (L'informatique quantique est le sous-domaine de l'informatique qui traite des ordinateurs...) est de pouvoir maintenir l'information pendant une durée suffisamment longue pour réaliser des calculs. De nombreux travaux portent sur les propriétés des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) candidats pour fabriquer des qubits, notamment l'effet de l'enrichissement isotopique ou de la dilution (La dilution est un procédé consistant à obtenir une solution finale de concentration...) magnétique extrême.

Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) matériaux microélectronique et nanosciences de Provence (IM2NP, CNRS/Aix-Marseille Université), du Laboratoire avancé de spectroscopie pour les interactions, la réactivité et l'environnement (LASIRe, CNRS/Université de Lille) en collaboration avec les universités d'état de Floride (FSU) et de Groningen, proposent un nouveau protocole expérimental, indépendant du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) et qui permet d'augmenter le temps de cohérence de façon significative. Ces résultats sont parus dans la revue Scientific Reports.

Pour parvenir à ce résultat, les physiciens ont utilisé des ondes électromagnétiques de deux fréquences distinctes. La première est celle employée dans le protocole standard de manipulation d'un qubit. Sa fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) correspond à l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) qu'il faut pour basculer de l'état 0 vers l'état 1, ce qui permet de manipuler le qubit. Le temps nécessaire à l'état 0 pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) à l'état 1 puis revenir est directement lié à cette première onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...), et appelé période de Rabi. La seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) utilisée dans ce nouveau protocole possède une fréquence assez proche de la première, mais décalée de ∆. Si ∆ est quelconque, aucune protection n'est observée. En revanche, si ∆ est égale à la fréquence de Rabi, le temps de vie du qubit est fortement augmenté. La deuxième onde agit comme un excitateur qui met en résonnance le qubit, et compense la dissipation causée par l'environnement.


Oscillations de Rabi de l'ion Mn2+. Chaque oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à...) équivaut à une porte logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος),...). Plus le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) d'oscillations est élevé et plus l'algorithme quantique pourra être complexe. Le nouveau protocole proposé montre un nombre d'oscillations incroyablement plus élevé que le protocole standard.
© Sylvain Bertaina

L'effet de protection est impressionnant, car le nombre de portes quantiques élémentaires (chaque oscillation du qubit correspond à une porte quantique, équivalent des portes logiques de l'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine...) classique) a été multiplié par plusieurs milliers. Le temps de vie d'un qubit, quelques millisecondes, est habituellement limité par le temps de relaxation transverse (temps durant lequel le qubit est dans l'état superposé "0 et 1"). Il devient maintenant limité par le temps de relaxation longitudinale (temps durant lequel le qubit est dans l'état "0" ou "1"), qui peut atteindre plusieurs heures (L'heure est une unité de mesure  :) dans certains cas.

Ce nouveau protocole a été appliqué avec succès sur trois types de matériaux: le diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la...), les ions métalliques et les terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le...), mais il pourrait s'adapter à d'autres types de systèmes comme les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) froids, les supraconducteurs ou les quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...) dots.

Référence:
Experimental protection of quantum coherence by using a phase-tunable image drive.
S. Bertaina, H. Vezin, H. DE Raedt, I. Chiorescu, Scientific Reports, le 10 décembre 2020.
DOI: 10.1038/s41598-020-77047-5 (Open Acces)
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