Information Quantique avec des Ensembles de Spins – QIPSE

Le calcul quantique, avec sa puissance de calcul décuplée grâce au parallélisme quantique, a le potentiel de révolutionner la technologie de l’information. En pratique, le calcul quantique nécessite une grande précision dans l’initialisation, le stockage, le contrôle, la lecture, et le transfert d’états quantiques. Divers systèmes physiques sont prometteurs sur l’un de ces aspects ; cependant aucun n’est entièrement satisfaisant pour toutes ces tâches. Une nouvelle idée dans le domaine de l’information quantique est d’hybridiser les différents types de systèmes afin d’en combiner les avantages.

Un des systèmes quantiques hybrides les plus prometteurs consiste en un résonateur ou qubit supraconducteur couplé à un large ensemble de spins dans un cristal. Les résonateurs / qubits supraconducteurs ont l’avantage d’être facilement contrôlés, initialisés, mesurés, et intriqués, mais ils ont un temps de cohérence relativement court. Les spins électroniques dans les solides (par exemple, les centres NV du diamant, ou les donneurs dans le silicium comme le bismuth) ont de longs temps de cohérence. Il a donc été proposé de se servir des ensembles de spins comme mémoire quantique pour les qubits supraconducteurs.

Cependant, de grands obstacles doivent être surmontés pour effectivement implémenter un traitement quantique de l’information à base de système hybride « supraconducteur-spins ». L’état quantique des ensembles de spins sont sensibles à l’inhomogénéité des champs externes et aux interactions spin-spin. Il est techniquement difficile d’implémenter le découplage dynamique destiné à protéger la cohérence quantique des ensembles de spins. Aussi, le traitement théorique de la dynamique quantique des ensembles de spins est par nature un problème à n corps particulièrement difficile.

Le projet QIPSE est destiné à former une union forte entre un groupe expérimental en France, et un groupe théorique à Hong-Kong, afin de résoudre les problèmes physiques essentiels qui se posent dans les systèmes hybrides « supraconducteur-spins » pour le traitement de l’information quantique. L’équipe expérimentale est l’un des leaders dans la réalisation et la mesure de ces systèmes hybrides. L’équipe théorique a fait plusieurs contributions importantes à la recherche sur la décohérence des spins, sur la manière de préserver la cohérence quantique, et sur la dynamique du bain de spins responsable de la décohérence. L’ « hybridisation » de l’expertise des deux groupes aura pour conséquence une synergie idéale, parfaitement adaptée pour résoudre les problèmes posés.

Nos deux équipes jointes dans le projet QIPSE concevront, réaliseront, et optimiseront des circuits hybrides « supraconducteurs-spins », dans le but ambitieux de réaliser la première mémoire quantique opérationnelle pour les qubits supraconducteurs. Nous étudierons la décohérence des mores collectifs dans l’ensemble de spins, et nous implémenterons des protocoles de contrôle quantique afin de préserver la cohérence de ces états collectifs de spins pour une mémoire quantique mutlti-mode. Par ailleurs, nous développerons aussi des idées pour la simulation quantique de physique quantique à N corps, et pour la magnétométrie à ultra-haute sensibilité.

Ce projet renforcera fortement le traitement quantique de l’information à base de circuits hybrides « spins-supraconducteurs ». Il servira aussi à consolider les connections culturelles et éducatives entre la France et Hong-Kong.