Une boussole quantique dans le champ magnétique terrestre ✛
Dans une pièce silencieuse, sans le moindre aimant, deux électrons piégés dans du silicium ressentent quand même un léger frémissement. Il est créé par les noyaux des atomes de silicium et de germanium, qui tournent de manière chaotique, comme les aiguilles de boussoles cassées. Autrefois, ce frémissement était considéré comme une nuisance, mais désormais, il est lui-même devenu un instrument de mesure.
Les physiciens de HRL Laboratories ont fabriqué un dispositif avec six points quantiques, mais n'en ont utilisé que deux, désignés P5 et P6. Chaque point retient un électron, et leurs spins peuvent être orientés dans la même direction ou dans des directions opposées. Ces deux états sont appelés triplet et singulet, et les électrons basculent entre eux à une fréquence déterminée par l'interaction d'échange. Habituellement, une telle bascule nécessite un aimant externe, mais ici, il est remplacé par un gradient aléatoire provenant des noyaux de 29Si et de 73Ge.
Pour que le signal ne s'atténue pas trop rapidement, les chercheurs ont appliqué une série d'impulsions courtes qui ramènent les électrons à leur état initial. Cette technique ressemble à celle d'un jongleur expérimenté qui lance des assiettes en l'air sans les laisser tomber. Avec soixante-dix impulsions, le temps de cohérence est passé de 1,17 à 74,8 microsecondes, soit un système qui conserve sa phase quantique soixante fois plus longtemps.
La phase mesurée des oscillations a permis de cartographier l'échange résiduel dans la cellule de charge : au centre, 30 kHz ; au bord, 64 kHz. Quant au taux de décroissance, il a montré un large maximum à une fréquence d'échange de 20 à 40 MHz, ce qui indique un canal de relaxation caché. C'est comme découvrir une porte secrète dans une vieille maison, dont personne ne connaissait l'existence.
Cette méthode sera utile pour les circuits hybrides où les qubits semi-conducteurs côtoient des résonateurs supraconducteurs. Le champ magnétique externe y est inadmissible, mais le gradient interne fonctionne toujours. Ainsi, le frémissement des noyaux, qui semblait être un défaut, s'est transformé en boussole indiquant l'état du système quantique.
Le champ magnétique terrestre dans le laboratoire est d'environ 58 microteslas, ce qui donne une séparation Zeeman de 1,6 MHz. Cela suffit pour supprimer le mélange avec les triplets T±, mais le gradient lui-même provenant des noyaux est 100 fois plus faible.
L'idée d'utiliser les spins nucléaires aléatoires comme une boussole intégrée fait écho au roman de Greg Egan « Quarantine », où les états quantiques sont contrôlés par l'interaction avec l'environnement, et non malgré lui.