Un cristal à la mémoire (quantique) longue

Les technologies quantiques, qu’il s’agisse d’ordinateurs, de capteurs ultrasensibles ou de réseaux de communication hautement sécurisés, reposent sur une exigence clé : être capable de stocker et manipuler de l’information quantique, souvent portée par la lumière, et de la conserver le plus longtemps possible. Depuis une quinzaine d’années, les ions de terres rares intégrés dans des solides cristallins sont considérés comme des candidats prometteurs pour stocker cette information, notamment via le spin des électrons. Cette propriété reste cependant très sensible aux perturbations magnétiques causées par l’environnement.

Des scientifiques de l’Institut de recherche de chimie de Paris (CNRS/Chimie ParisTech - PSL) et de Caltech (Etats-Unis) ont pour cette raison exploré une nouvelle combinaison inédite d’ions ytterbium ¹⁷¹Yb³⁺ insérés dans un cristal de tungstate de calcium (CaWO₄). Ce matériau, particulièrement pauvre en impuretés magnétiques, offre un environnement exceptionnellement silencieux : les fluctuations de champ magnétique y sont en effet très faibles.

Dans ce cadre, certains états de spin de l’ytterbium se combinent pour former une « transition d'horloge », dont la fréquence est quasiment insensible aux perturbations magnétiques. Cette double protection, à la fois grâce au matériau hôte et à la nature des états de spin des ions ytterbium, permet aux états quantiques de conserver leur cohérence pendant des durées exceptionnellement longues, sans nécessiter de champ magnétique externe. Ce dernier point est important par exemple pour permettre de coupler ce matériau à des circuits supraconducteurs. 

L’équipe démontre en parallèle un contrôle entièrement optique de ces états. Alors que la manipulation des spins repose généralement sur des micro-ondes produites par des antennes ou des circuits électroniques, les chercheurs utilisent ici uniquement des impulsions laser. Ces faisceaux lumineux permettent d’initialiser les spins dans un état bien défini, de les manipuler et de lire leur état, en passant par des transitions optiques. Cette approche évite le recours à des composants électroniques complexes, tout en offrant un contrôle précis des états quantiques du système.

Grâce à cette combinaison unique, les scientifiques mesurent une cohérence de spin atteignant 0,15 seconde à champ magnétique nul, ainsi qu’une cohérence optique proche de la limite imposée par la durée de vie intrinsèque des états excités. Ces performances, parmi les meilleures jamais obtenues dans un solide, font du tungstate de calcium dopé à l’ytterbium-171 une plateforme prometteuse pour le développement de mémoires quantiques, de dispositifs de conversion entre micro-ondes et lumière, ou encore de bits quantiques individuels contrôlables par la lumière. 

À ce résultat très encourageant s’ajoute une étude publiée dans Nature Materials, issue d’une collaboration avec une équipe du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) et également centrée sur la mesure d'états quantiques de spin - cette fois non pas reliés aux électrons mais aux noyaux atomiques - dans des complexes moléculaires d'ions de terres rares. Ces nouveaux états quantiques disponibles pour stocker et manipuler l’information quantique suggère que les ions de terres rares ont un avenir particulièrement brillant dans les technologies quantiques.

Rédacteur : Anne-Valerie FOILLARD RUZETTE