Interfaces microonde spin de terres rares pour le traitement quantique de l'information – MIRESPIN

Les niveaux de spin des dopants dans des cristaux ultra-purs constituent un système de grand intérêt pour le traitement de l'information quantique (QIP). Cependant, exploiter pleinement le potentiel quantique des spins à l'état solide nécessite de les interfacer avec des porteurs d'informations quantiques (photons) et / ou d'autres systèmes quantiques contenant des informations quantiques à stocker. Par ailleurs, les systèmes quantiques hybrides combinant l'électrodynamique quantique de circuit (circuit QED) avec des spins dans l'état solide sont très attractifs pour les technologies quantiques à venir. Dans MIRESPIN, nous proposons une plate-forme polyvalente permettant d'interfacer des spins électroniques à longue durée de vie de cohérence avec des photons micro-ondes, basée sur le couplage des spins avec des résonateurs supraconducteurs. Notre objectif est d'atteindre une sensibilité permettant de détecter un spin unique et le régime d'interaction quantique cohérent (couplage fort) entre des spins individuels et des photons micro-ondes uniques. Pour ce faire, nous développerons des cristaux dopés par des terres rares de 'qualité quantique' et de nouvelles architectures de résonateurs supraconducteurs à haut Q que nous couplerons pour la première fois ensemble. Les avancées ciblées devraient être des clés de voûte pour le développement de mémoires quantiques micro-ondes et de réseaux quantiques intégrés. Des progrès considérables dans la détection des photons micro-ondes et la manipulation de leur état quantique ont été obtenus ces dernières années en raison des développements dans les circuits quantiques supraconducteurs, l'électronique haute fréquence et la technologie cryogénique. Cependant, le couplage d'un spin individuel avec un photon unique reste un défi en raison de la faible constante de couplage qui peut être obtenue avec les micro-résonateurs classiques. La stratégie originale poursuivie dans MIRESPIN pour augmenter à la fois la force de couplage et la résolution spatiale vers la détection de spin unique et le couplage fort repose sur l'incorporation d’une constriction nanométrique intégrée dans un résonateur supraconducteur à haut facteur de qualité. Une telle constriction permet un fort confinement du champ micro-onde et donc une amélioration remarquable de l'interaction spin-photon. En tant que système de spin, nous proposons les ions terres rares dans des cristaux oxydes du fait de leurs grands facteurs g, ce qui améliore leur couplage par rapport à d'autres spins (par exemple les défauts dans le diamant), et leurs longues durées de vie de cohérence, pouvant être étendues de plusieurs ordres de grandeur grâce aux transitions ZEFOZ. De plus, les terres rares possèdent la caractéristique unique parmi les spins à l'état solide de présenter des transitions optiques avec un élargissement homogène extrêmement étroit, ce qui fournit une interface optique permettant, entre autres, une préparation des spins, une lecture et une réinitialisation des états de spin purement optiques ainsi que la conversion de photons micro-ondes vers le domaine optique. Dans nos recherches nous allons nous concentrer sur les ions terres-rares avec un nombre impair d'électrons, tels que l'erbium ou l'ytterbium car ils possèdent un spin électronique, ce qui est essentiel pour l'interfaçage avec les circuits supraconducteurs. MIRESPIN est divisé en quatre acitivités (work package) dont trois scientifiques et une sur la gestion, la diffusion et l'exploitation. Ils bénéficieront d'une collaboration forte entre des partenaires partageant une connaissance scientifique unique ainsi que des capacités techniques complémentaires. Pour le succès du projet, nous comptons donc combiner plusieurs avancées technologiques de pointe, y compris la croissance de cristaux dopés terres-rares ultra-purs, la spectroscopie optique de haute résolution aux températures de l'ordre du millikelvin et des résonateurs supraconducteurs à l'échelle nanométrique.