Lorsque les spins des atomes de phosphore dans le silicium sont alimentés par des micro-ondes, un signal d’écho quantique de spin peut être détecté après un certain temps.
Les particules fondamentales peuvent avoir un moment angulaire qui pointe dans une certaine direction – une sorte de «spin», de rotation ou, comme on l’appelle plus communément, un spin.
Et le spin d’une particule peut être manipulé par un champ magnétique. Ce principe est l’idée de base de l’imagerie par résonance magnétique utilisée dans les hôpitaux, les composants spintroniques et divers types de qubits utilisés dans l’informatique quantique.
L’une des grandes difficultés de toutes ces applications est qu’un certain spin – ou, plus généralement, un état quantique d’une particule – est très fragile, se perdant par un minimum de bruit ou d’interférences.
Une équipe de recherche internationale vient de découvrir un effet surprenant particulièrement adapté pour traiter ce bruit et traiter les informations quantiques de manière robuste: les spins d’atomes de phosphore insérés dans une tranche de silicium produisent un écho. Et tout comme les échos sonores, l’écho du spin se répète dans une série qui met longtemps à s’estomper.
La différence avec l’écho sonore est qu’ici la chose ne se fait pas en hurlant, mais avec des impulsions d’énergie. Lorsqu’un spin d’origine est renforcé par des impulsions micro-ondes, il produit un écho de spin qui peut être détecté après un certain temps, le signal de l’impulsion injectée étant réémis en écho quantique.
Cela signifie que les données stockées dans la particule deviennent beaucoup plus robustes – si les données sont perdues, elles seront toujours gravées sur les échos – ce qui diminue le taux d’erreur et améliore l’efficacité du système.
Qu’est-ce que l’écho quantique?
Les échos quantiques ne sont pas exactement une nouveauté, mais les impulsions d’énergie qui les génèrent atteignent une multiplicité d’atomes, qui répondent à des moments différents, ce qui en pratique produit davantage un désordre de spins mobiles et d’échos multiples qu’une situation stable.
Ce que Stefan Weichselbaumer et ses collègues de l’Université de Vienne ont découvert, c’est qu’il est possible d’inverser ce chaos apparent à l’aide d’une autre impulsion électromagnétique – une impulsion appropriée peut inverser la rotation du spin, obligeant tout le monde à se coordonner à nouveau.
Les composants spintroniques ne dépensent presque pas d’énergie, en plus le spin des électrons peut déclencher des micro-machines.
«Vous pouvez imaginer que c’est un peu comme courir un marathon», a illustré le professeur Stefan Rotter. «Au signal de départ, tous les coureurs sont toujours ensemble. Comme certains coureurs sont plus rapides que d’autres, le groupe de coureurs devient de plus en plus grand avec le temps. Cependant, si tous les coureurs recevaient le signal de revenir au départ, tous les coureurs reviendraient au départ plus ou moins en même temps, bien que les coureurs plus rapides doivent couvrir une plus grande distance en arrière que les coureurs plus lents ».
L’écho quantique représente exactement cela – un écho du moment où tous les spins ont été initialement alignés. «Ce qui est remarquable, c’est que nous n’avons pas été en mesure de mesurer un seul écho, mais une série de plusieurs échos», a déclaré Hans Hubl, membre de l’équipe.
Informations quantiques et tests médicaux
L’équipe a également pu identifier comment il est possible que cet écho quantique puisse faire revenir tous les coureurs au point de départ comme par magie. Ce qui se produit est un couplage fort entre les spins et les photons du résonateur micro-ondes utilisé pour les alimenter. «Ce couplage est l’essence de notre expérience: vous pouvez stocker des informations dans les spins et, à l’aide des photons micro-ondes dans le résonateur, vous pouvez les modifier ou les lire», a expliqué Hubl.
La physique de l’écho de spin est d’une grande importance pour les applications techniques, et peut améliorer les examens d’imagerie par résonance magnétique, par exemple. Mais l’équipe compte concentrer ses efforts sur les nouvelles possibilités offertes par l’écho multiple, comme le traitement des informations quantiques. «Bien sûr, plusieurs échos dans des jeux de spin fortement couplés aux photons d’un résonateur sont un outil nouveau et passionnant. Il trouvera non seulement des applications utiles dans les technologies de l’information quantique, mais également dans les méthodes de spectroscopie à base de spin », a déclaré le professeur Rudolf Gross.
