Bits Moléculaires Quantiques Émergents – MolEQuBe

Le hardware quantique n'a cessé de progresser au cours des dernières années. Parmi les faits marquants, quelques-unes des approches les plus avancées : qubits supraconducteurs, atomes froids, ions et qubits photoniques, ont récemment franchi la barre symbolique des 100 qubits. Cependant, la recherche de nouvelles plateformes physiques et matérielles qui pourraient révolutionner le domaine en fournissant de nouvelles fonctionnalités ou en résolvant certains des blocages technologiques qui subsistent, reste très active. Dans MolEQuBe, nous proposons d'explorer une nouvelle plateforme de matériaux quantiques combinant les propriétés optiques et de spin prometteuses des ions de terres rares avec la capacité unique de la chimie moléculaire de synthèse à créer des arrangements atomiques sur mesure et des architectures supramoléculaires fonctionnelles compatibles avec les résonateurs SC et les dispositifs photoniques. Ce contrôle fin sera exploité à différents niveaux, pour limiter les mécanismes de décohérence dus aux vibrations moléculaires et au bruit magnétique, pour concevoir des interactions qubit-qubit et des interactions qubit-hôte, et pour régler avec précision les énergies de transition optique et de spin du qubit. Pour atteindre ces objectifs ambitieux, MolEQuBe rassemble un consortium d'experts possédant des compétences complémentaires et des capacités expérimentales uniques, notamment dans les domaines de la chimie des molécules des terres rares, de la spectroscopie optique cohérente et à haute résolution, du stockage optique cohérent, des technologies supraconductrices et des mesures de spin unique par micro-ondes. Au cours du projet, nous viserons trois objectifs principaux : (i) Nous synthétiserons des matériaux moléculaires à base de terres rares qui combinent les largeurs de raies optiques et de spin étroites inégalées des ions de terres rares avec les capacités de conception hautement déterministes fournies par la chimie moléculaire pour concevoir des plates-formes multiqubits évolutives et adressables optiquement. (ii) Nous démontrerons la détection de spin moléculaire unique en déposant des matériaux moléculaires RE optimisés sur des résonateurs micro-ondes (MW) supraconducteurs à facteur élevé et en utilisant le comptage de photons MW. Nous exploiterons ensuite cette capacité de détection de molécules uniques pour réaliser des portes à deux qubits en utilisant un petit registre de spin nucléaire à l'intérieur de la molécule. (iii) Nous créerons de nouvelles plates-formes de mémoire quantique intégrables, fabriquées dans des guides d'ondes polymères à faibles pertes présentant une large bande passante et contenant des molécules optimisées de 171Yb. Nous démontrerons le transfert de cohérence optique vers le spin et le stockage sur des ensembles de terres rares en utilisant le protocole de mémoire à peigne de fréquence atomique. Le fort potentiel et la faisabilité de l'approche de MolEQuBe sont étayés par les récents travaux réalisés par les partenaires. D'une part, les équipes de l'IRCP et de l'ISIS ont récemment rapporté une largeur de raie optique de 30 kHz dans un cristal moléculaire d'Eu3+ hautement concentré et isotopiquement pur (T2 optique de 10 µs). Cette avancée représente un rétrécissement de de trois à quatre ordres de grandeur par rapport aux centres moléculaires rapportés jusqu'à présent. Parallèlement, la détection d'un spin Er3+ unique à l'aide d'un cristal de scheelite par le partenaire SPEC ouvre la voie à des démonstrations quantiques avec des qubits moléculaires.