Le soliton électronique : un bit quantique résilient

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. 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 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 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, c’est paradoxalement la force 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.

Pour réaliser ce travail, les physiciens ont utilisé du sel de Fabre (de formule (TMTTF)2X (X=AsF6,PF6,SbF6), qui est un aimant organique constitué de chaînes de spins fortement corrélées par une interaction 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 microonde suffisamment longtemps, le soliton alterne entre son état haut et l’état bas toutes les dizaines de nanosecondes. En stoppant l’onde électromagnétique à un moment très précis, les chercheurs ont mis le système dans un état superposé haut et bas en même temps, créant ainsi un bit quantique de soliton piégé. Ils ont vérifié que la durée de vie de cette superposition 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.

JPEG - 73.8 ko
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
PNG - 50 ko
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, APS

Rabi oscillations of pinned solitons in spin chains : A route to quantum computation and communication
S. Bertaina1, C-E. Dutoit1, J. Van Tol2, M. Dressel3, B. Barbara4, et A. Stepanov1, Physical Review B, 2014

  • Retrouvez la publication sur les bases d’archives ouvertes HAL et arXiv

Contact chercheur

Sylvain Bertaina, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

1 Institut des matériaux, de microélectronique et des nanosciences de Provence (IM2NP)
2 Physics Department and the National High Magnetic Field Laboratory, Florida State University
3 Physikalisches Institut, Universität Stuttgart
4 Institut Néel

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp.com cnrs.fr