Socle physique des futurs bits quantiques (qubits) de C12, le nanotube de carbone tient ses promesses. C’est la principale conclusion de l’article scientifique (« Microsecond-lived quantum states in a carbon-based circuit driven by cavity photons »), paru le 1er juillet dans Nature Communications. La deeptech française et l’Ecole normale supérieure (ENS) de Paris en sont les auteurs.
« La communauté scientifique attendait depuis longtemps ces résultats », se réjouit Matthieu Delbecq, l’un des chercheurs qui a supervisé l’étude. Maître de conférences à Sorbonne université, affecté au laboratoire de physique de l’ENS, il fait partie des fondateurs de C12, dont il est le conseiller scientifique. Si la deeptech ne fait encore la démonstration formelle de son premier qubit, elle s’en approche.
« On a réussi à manipuler les états quantiques d’un électron piégé dans un nanotube de carbone, l’idée à la base de C12, poursuit-il. Nous avons montré un temps de cohérence record de 1,3 microseconde, et c’est important. Le nanotube de carbone est considéré comme un support propice pour réaliser un système quantique bénéficiant d’un bon temps de cohérence. Mais les précédentes expérimentations réalisées par d’autres groupes de recherche n’arrivaient qu’à une dizaine de nanosecondes. Une durée plus faible que prévue. »
Nanotube et résonateur micro-onde
C12 et l’ENS ont donc démontré expérimentalement que ce temps de cohérence pouvait être multiplié par 100. Dans leur expérience, ils ont mis en œuvre l’architecture que promeut C12. La partie centrale, celle appelée à devenir un qubit, est constituée d’un nanotube de carbone, aux multiples propriétés intéressantes pour protéger un qubit contre les perturbations de toutes sortes (le « bruit »), et donc retarder autant que possible sa décohérence.
Ce nanotube est suspendu entre deux électrodes ferroélectriques qui forment un réservoir d’électrons – la source et le drain qui font circuler un électron dans le nanotube. Des d’électrodes sous-jacentes « creusent » deux puits de potentiel – des boîtes quantiques – qui piègent l’électron.
Seconde partie de cette architecture : le résonateur micro-onde, dont les photons dans ces longueurs d’onde, via une électrode spécifique, servent à lire et à contrôler les états quantiques de l’électron piégé. L’objectif est de pouvoir lire et encoder l’information quantique portée par les deux niveaux de spin de l’électron (le spin étant comparable à son moment magnétique intrinsèque). L’ensemble est refroidi à 300 mK.
S'affranchir des limitations des qubits de spin
On obtient un « qubit de spin dans une boîte quantique en cavité, la cavité étant ce qui permet de contrôler les qubits, de les lire et de les coupler pour réaliser des opérations », précise Matthieu Delbecq. Le record du temps de cohérence mesuré par C12 et l’ENS est valable dans ce type de configuration. « Il existe des qubits de spin qui fonctionnent dans le silicium ou le germanium, sans cavité (le contrôle est effectué par des boîtes quantiques dans des transistors, ndlr), développe-t-il. Le temps de cohérence se situe alors entre 10 et 20 microsecondes. »
Matthieu Delbecq fait d’état d’expériences démontrant 6 voire 10 qubits de spin alignés (architecture 1D). Mais d’après les derniers travaux qu’il a consultés, il semble compliqué d’aller au-delà, que ce soit en 1D ou en 2D (qui sera nécessaire pour faire de la correction d’erreurs, ndlr), et de maintenir le temps de cohérence. Une solution serait d’adopter l’architecture en cavité, impliquant des résonateurs, comme le fait C12 - ainsi qu’IBM ou Google pour contrôler leurs qubits supraconducteurs. « Mais le temps de cohérence des qbits de spin descend alors à une centaine de nanosecondes », relève-t-il.
Les nanotubes de C12, dans une telle configuration, font 10 fois mieux. « On a accompli un travail colossal pour maîtriser la fabrication des nanotubes (leur pureté est un enjeu capital, ndlr), affirme Matthieu Delbecq. Même si on accuse du retard sur d’autres plateformes, le résultat montre que cela valait le coup d’emprunter cette voie. »
Un résultat qui pourra encore s’améliorer. « Une source de décohérence provient du couplage encore trop fort entre le double puits quantique et le réservoir électronique, explique-t-il. On pourrait jouer sur le potentiel appliqué aux deux électrodes situées aux deux extrémités pour créer une barrière plus efficace contre ce couplage. » Grâce à d’autres perfectionnements, le temps de cohérence pourrait atteindre entre 5 et 25 microsecondes, selon le chercheur.
Augmenter la fréquence de contrôle
C12 doit également améliorer une autre métrique, à savoir le nombre d’opérations logiques, ou portes, réalisé sur les qubits. Lequel est tributaire de la vitesse de ces opérations et du temps de cohérence des qubits. « La fréquence de contrôle est encore assez basse, donc on ne peut pas faire beaucoup d’opérations pendant ce temps caractéristique, admet Matthieu Delbecq. Cela dépend de la force de couplage entre la cavité micro-onde et la double boîte quantique. Cette force peut être grandement augmentée grâce à des résonateurs à haute impédance basés sur des matériaux supraconducteurs à haute inductance cinétique. Mais la décohérence peut être renforcée en parallèle. C’est un travail que mène C12 avec le CEA à Grenoble. »
Reste une question : pourquoi cette étude n’aboutit-elle pas à la démonstration du premier « vrai » qubit de C12 ? « Notre système comporte quatre niveaux – des qdits explorés aussi par la recherche académique - alors que les qubits n’en ont que deux, répond Matthieu Delbecq. C’est pour cette raison que l’on parle d’états quantiques. Mais ceux-ci seront le support de notre premier qubit. » Si C12 respecte son calendrier, la démonstration d’un circuit à deux qubits et du bus quantique pour les coupler (le résonateur micro-onde) surviendra l’an prochain.
