« Quantum bit » à base de terres rares

Le Quantum bit, ou qubit, est l’élément de mémoire des ordinateurs quantiques. De petits ordinateurs quantiques ont déjà été construits dans les années 90 et des progrès sont en cours. C’est un domaine en plein essor, notamment en raison de son importance stratégique : certains algorithmes conçus pour la logique quantique rendraient possibles des calculs inimaginables avec un ordinateur classique. La réalisation physique de l’élément de base, le qubit est une première étape. Chaque discipline a son propre qubit : en magnétisme c’est le spin, qui intervient également dans les mémoires magnétiques. Deux équipes, l’une appartenant au CNRS et l’autre au CEA, viennent de montrer que les ions magnétiques de terres rares pourraient permettre l’implémentation d’un ordinateur quantique doté d’un nouveau type de qubits de spin.

Contrairement à l’élément de mémoire (bit) classique qui ne peut se trouver que dans deux états |+1> ou |-1> correspondant aux deux orientations d’un spin, le qubit peut se trouver dans une infinité d’états allant de |+1> à |-1>. En effet, lorsque ces états sont soumis à un champ magnétique, leur différence d’énergie peut être égale à l’énergie d’un champ micro-ondes qui induit alors des transitions entre ces deux états, de |+1> à |-1> avec l’absorption d’un photon, ou de |-1> à |+1> avec émission d’un photon. Par application d’une onde électromagnétique, on peut retourner progressivement les spins. Le degré d’occupation des états de spin se met alors à osciller et ce dernier prends au temps courts tout les états compris entre |+1> et |-1> (|ψ>=a(t)|+1>+b(t)|-1> où a(t) et b(t) sont des fonctions sinusoïdales du temps). Un ordinateur quantique devrait être constitué d’une centaine de qubits pouvant être sélectivement manipulés. Le principal frein au développement de l’ordinateur quantique est le phénomène de décohérence qui conduit à une atténuation des oscillations, de par ses interactions avec l’environnement. Les terres rares constituent une famille d’éléments magnétiques connue pour ses grands moments magnétiques, qui permettent des manipulations de spins en champs faibles. De plus elles possèdent un couplage hyperfin élevé faisant, qu’a basse température le « bon nombre quantique » est la somme du moment angulaire électronique J et du spin nucléaire I. Contrairement aux autres qubits de spins, qui sont soit électroniques soit nucléaires, les qubits de terres rares sont « électro-nucléaires » ; ils peuvent être manipulés aussi bien par des fréquences électroniques (RPE) que nucléaires (RMN) (Fig. 1). Des temps de cohérence de l’ordre de 10 μs sont observés à une température de 2 kelvins et on s’attend à 300 μs à 1.5 kelvin, ce qui permet un nombre d’opérations suffisant pour le calcul quantique ( 104). Ces premiers travaux ont permis d’élaborer un schéma de principe dans le cadre du premier projet français pour l’implémentation d’un ordinateur quantique de spins. Ce projet se fera entre le CNRS et le CEA.
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