Quatre musiciens jouent en harmonie seulement s'ils se tiennent par la main. Dans le monde quantique, une telle chaîne est formée par quatre électrons dans quatre boîtes quantiques adjacentes — de minuscules pièges à charge. C'est la base du qubit SAGE (de l'anglais « always-on exchange on singulets »). Contrairement aux qubits d'échange ordinaires, où l'information est encodée dans les états de trois électrons, ici toute la construction repose sur des singulets — des paires d'électrons avec des spins opposés. Ensemble, ils se comportent comme une seule particule sans moment magnétique. Ainsi, les champs magnétiques locaux créés par les noyaux atomiques du matériau ne peuvent pas gâcher l'état quantique : pour un singulet, ils sont tout simplement invisibles, comme les interférences radio pour un téléphone filaire.
Mais le contact permanent a un prix. L'interaction d'échange qui lie les électrons en chaîne fonctionne en continu — elle est « toujours active ». C'est comme laisser une porte ouverte : l'isolation phonique en souffre. Dans un système quantique, le rôle du bruit est joué par les fluctuations du champ électrique. Elles déplacent légèrement les niveaux d'énergie dans les boîtes ou modifient la perméabilité des barrières entre elles. Ces perturbations sont appelées bruit de charge, et pour le qubit SAGE, il s'avère être l'ennemi principal. Les auteurs ont modélisé ce processus en s'appuyant sur le modèle de Hubbard — une description mathématique de la façon dont les électrons sautent entre les boîtes et se repoussent mutuellement.
Il s'avère que le temps de cohérence — la période pendant laquelle le qubit conserve une information utile — peut être considérablement prolongé. Pour cela, on utilise des séquences d'impulsions, semblables à des signaux d'écho : le qubit est périodiquement « secoué », forçant le bruit à se moyenner et à s'auto-détruire. Cette méthode, connue sous le nom de découplage dynamique, rappelle le fonctionnement de la réduction de bruit dans les écouteurs, qui génèrent une onde sonore en opposition de phase. Dans des conditions expérimentalement réalisables, la durée de vie d'un qubit unique est multipliée par plusieurs. Et pour les portes à deux qubits, où deux chaînes d'électrons doivent interagir, une stratégie simple de refocalisation est proposée : une activation lente de l'opération supprime la fuite vers les états interdits, comme une accélération progressive d'une voiture au lieu d'un démarrage brutal avec patinage.
Ainsi, la pensée d'ingénieur transforme un défaut — un canal de communication toujours ouvert — en un avantage. L'aveuglement magnétique des singulets et l'échange continu donnent ensemble un qubit qui n'a pas besoin d'être constamment réglé et protégé contre les champs nucléaires omniprésents. Et avec un rythme d'impulsions bien choisi, il devient presque aussi robuste que ses cousins plus encombrants. Un jour, à partir de telles briques, on pourra assembler un processeur quantique qui ne craint ni le bavardage des noyaux atomiques, ni le tremblement des champs électriques.
L'état singulet de deux électrons est l'un des rares exemples dans la nature où deux particules se comportent comme une seule entité avec un moment magnétique nul. Cela ressemble à un couple de danseurs parfaitement équilibré, tournant dans des directions opposées.
Dans le roman « La Cité des permutants » de Greg Egan, les gens scannent leur cerveau dans des ordinateurs quantiques pour vivre dans une réalité virtuelle. Là-bas, toute décohérence est une mort, donc des qubits insensibles aux champs magnétiques pourraient devenir les supports idéaux de l'immortalité numérique.