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Retenir un numéro de téléphone alors que tout le monde crie et claque des portes autour de vous est presque impossible. C'est à peu près la vie d'un bit quantique – un qubit – dans un matériau ordinaire : les noyaux des atomes voisins, comme de minuscules aimants, le tirent constamment et effacent l'information. Pour que le qubit n'oublie pas, il faut lui trouver un endroit calme.

Ce refuge s'est avéré être l'oxyde de cérium – une poudre semblable à de l'argile blanche. Il contient très peu d'atomes à noyaux magnétiques, si bien que le bruit s'éteint presque. Lorsqu'on ajoute à cette poudre un métal rare, l'erbium (seulement quelques atomes par milliard), on obtient un milieu idéal : le qubit d'erbium peut stocker un état quantique pendant une seconde entière. Pour comparaison : pendant ce temps, la lumière parcourt la distance jusqu'à la Lune et retour.

Mais il y a une astuce. Les scientifiques ont trouvé des points particuliers – appelés « transitions d'horloge » – où le qubit devient sourd au bavardage magnétique de l'environnement. En ces points, et de plus à une température inférieure à un kelvin (plus froid que dans l'espace interstellaire), la durée de vie grimpe en flèche. Et si on utilise un tour de passe-passe – une série d'impulsions rapides qui retournent le qubit en rythme avec les perturbations – on peut supprimer le bruit encore plus efficacement.

Bonne nouvelle : l'oxyde de cérium s'entend parfaitement avec les puces en silicium sur lesquelles repose toute l'électronique moderne. Cela signifie que la mémoire quantique pourra être intégrée directement dans les circuits habituels. Un minuscule cristal, cultivé sur du silicium, stocke des états intriqués pendant que la lumière, dans une fibre voisine, les transporte à travers un réseau quantique. Le coin tranquille pour le qubit est trouvé – maintenant, c'est aux ingénieurs de jouer.

Résumé original

tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2605.07332

Rare-earth-ion-doped crystals has emerged as a promising platform for quantum technologies, owing to their narrow telecom-band optical emission, long spin memory, and compatibility with silicon integrated photonic architectures. However, the realization of scalable quantum devices requires host materials with intrinsically dilute spin environments to suppress decoherence. In this context, erbium (Er$$^{3+}$$) doped cerium oxide (CeO$$_2$$) is an attractive candidate due to the ultra-low concentration of nuclear spins in the host matrix and its compatibility with silicon-based technologies. Here we perform a comprehensive investigation of the coherence properties of Er$$^{3+}$$ electron spin qubit in CeO$$_2$$ via semiclassical as well as detailed cluster correlation expansion simulations. By systematically exploring magnetic field strength, pulse sequences, erbium concentration, and spin temperature, we identify regimes where decoherence from the spin bath is strongly suppressed. Our investigations illustrate that at dilute doping concentration (of the order of 10 ppb) and sub-Kelvin temperatures, operation near clock transitions enables Hahn-echo coherence times to approach the second timescale even at natural isotopic abundance. Importantly, from a practical standpoint, coherence times on the order of $$\sim 10$$ ms are expected even at liquid helium temperature (about 2 K) for similar concentrations. Moreover, we demonstrate that an additional enhancement can be obtained with conventional multi-$$\pi$$-pulse dynamical decoupling protocols. Thus, our findings establish Er$$^{3+}$$ doped CeO$$_2$$ as a front-runner for realizing spin qubits, quantum memories, and integrated quantum networks.