Mesurer la « durée de vie » d’un état quantique

Dans les systèmes quantiques, la cohérence est cruciale : elle détermine pendant combien de temps un état quantique reste bien défini avant de se déliter sous l’influence de son environnement et donc combien il est réellement utilisable pour des applications comme le stockage ou la transmission quantique d’information. Cette propriété est généralement quantifiée par le temps de cohérence T₂. Ce temps est souvent mesuré via une propriété qui lui est inversement proportionnelle : la largeur de raie optique Γℎ=1/(𝜋𝑇₂) associée à la désexcitation d’émetteurs quantiques excités (ion de terres rares par exemple) qui redescendent à leur état fondamental en libérant des photons d’une énergie donnée. Plus 𝑇₂ est long, plus la raie est fine en fréquence.

Dans de nombreux matériaux prometteurs, comme des films minces ou des nanoparticules de cristaux dopés aux terres rares, le nombre d’ions émetteurs peut être très faible, parfois seulement de l'ordre d'un millier ou moins. Or, les méthodes classiques pour mesurer la cohérence des leurs états quantiques s’appuient sur la technique dite de « l’écho de photons » : on envoie deux impulsions laser très courtes qui, si les ions restent cohérents, provoquent un flash lumineux de retour, un peu comme un écho sonore. Mais ce signal d’écho est une émission collective : lorsqu’il y a trop peu d’émetteurs, l’écho devient extrêmement faible. C’est ce qui rend ces mesures traditionnelles très difficiles dans les nanomatériaux ou les échantillons faiblement dopés, pourtant très prometteurs pour nombre d’applications.

Une équipe de l’Institut de recherche de chimie Paris (CNRS/CHIMIE PARISTECH - PSL) et du Service de physique de l’état condensé (CNRS/CEA) a imaginé un nouveau protocole pour contourner cette difficulté : au lieu de détecter directement un écho de photon cohérent, ils mesurent la fluorescence, lumière émise de façon incohérente, et analysent la variance de cette fluorescence pour tirer des informations sur 𝑇₂. Un laser et une détection standards peuvent être utilisé pour ces mesures, alors que les protocoles usuels demandent des dispositifs très complexes. Ils ont démontré cette technique sur un cristal dopé d’ions erbium : l’absorption d’un laser par un ensemble de seulement 1700 ions déclenche des émissions fluorescentes, dont les fluctuations statistiques sont analysées. Ces fluctuations contiennent l’empreinte de la cohérence quantique des ions, ce qui permet de mesurer 𝑇₂ même en présence d’aussi peu d’émetteurs.

Cette approche ouvre un nouveau champ pour l’étude de nanomatériaux quantiques contenant peu d’émetteurs, tels que les nanostructures à base d’ions de terres rares. À terme, elle pourrait accélérer le développement de composants quantiques à l’échelle nanométrique (qubits, mémoires quantiques, capteurs) en permettant d’évaluer rapidement et efficacement leur propriété de cohérence, essentielles pour les applications de communication ou de processeurs quantiques. L’étude, financée par le European Research Council, l'ANR, et le PEPR Quantique1 , est publiée dans la revue Physical Review Letters.

Rédacteur : AVR

• 1ERC ADG – Advanced Grant RareDiamond, ANR UltraNanoSpec et MolEQuBe, PEPR QMemo