L’un des problèmes les plus difficiles en informatique quantique est de maintenir un qubit cohérent suffisamment longtemps pour effectuer des opérations utiles. Le bruit environnemental, les fluctuations magnétiques, les changements de température, les champs électriques parasites, pousse constamment les qubits vers la décohérence. L’approche standard consiste à utiliser des séquences d’impulsions qui annulent le bruit basse fréquence, mais ces séquences sont souvent incompatibles avec le matériel utilisé pour coupler les qubits entre eux.
Une équipe dirigée par Eliza Cornell, Benjamin Pingault et Marko Lončar à l’Université Harvard a démontré une solution qui adopte l’approche inverse : au lieu de lutter contre l’environnement, embrasser un environnement mécanique.
Publiée dans Nature Physics, ces travaux utilisent un centre vacance-silicium (SiV) unique dans le diamant, un type de qubit de spin, et le soumettent à une contrainte mécanique qui crée des états quantiques « habillés » intrinsèquement insensibles au bruit basse fréquence. Le résultat est une protection de cohérence entièrement mécanique, combinée à un contrôle ultrarapide à une fréquence de Rabi de 800 MHz.
Pourquoi les phonons
La plupart des architectures de réseaux quantiques utilisent des photons pour transporter l’information quantique entre des qubits stationnaires. Les photons sont rapides et voyagent bien, mais ils ont des limitations : ils nécessitent de grandes empreintes de dispositifs, introduisent de la diaphonie et sont difficiles à confiner à l’échelle de la puce.
Les phonons, vibrations mécaniques quantifiées, offrent une alternative. Ils ont des empreintes de dispositifs plus petites, une diaphonie réduite, de longues durées de vie en cavité à basse température, et un couplage naturel aux spins à l’état solide et aux ondes électromagnétiques. Un réseau quantique phononique stockerait et traiterait l’information dans des qubits de spin stationnaires et utiliserait des phonons pour transporter l’information entre eux sur la même puce.
Le problème a été que coupler un spin à une cavité phononique résonante et utiliser simultanément des séquences d’impulsions de découplage dynamique pour supprimer le bruit ont été techniquement incompatibles, jusqu’à présent.
Protection entièrement mécanique
L’innovation centrale de l’équipe est d’effectuer toutes les opérations quantiques, l’initialisation optique, les opérations de porte et la lecture, dans une base habillée créée par une contrainte mécanique appliquée au centre SiV. La contrainte génère des états habillés qui sont naturellement protégés du bruit environnemental basse fréquence, sans nécessiter de séquences d’impulsions supplémentaires.
Cet habillage mécanique est totalement compatible avec la cavité phononique qui sera éventuellement nécessaire pour coupler des qubits distants. Le phonon qui protège le qubit et le phonon qui le relie à un autre qubit sont le même mécanisme physique.
La fréquence de Rabi de 800 MHz est exceptionnellement rapide pour un qubit de spin, permettant des portes quantiques sur des échelles de temps sub-nanosecondes. Ceci est crucial pour la correction d’erreurs quantiques, où la vitesse de la porte par rapport au temps de décohérence détermine si la correction d’erreurs est réalisable.
Implications pour les réseaux quantiques
Ce résultat établit la brique de base fondamentale pour un réseau quantique phononique. La prochaine étape est de démontrer des portes à deux qubits médiées par des phonons entre des centres SiV séparés sur la même puce, une étape qui ouvrirait la porte aux processeurs quantiques sur puce construits autour de vibrations mécaniques plutôt que de champs électromagnétiques.
Ces travaux ont été soutenus par la National Science Foundation, l’Air Force Office of Scientific Research, la Packard Foundation et Amazon Web Services, entre autres. La fabrication des dispositifs a été réalisée au Center for Nanoscale Systems de Harvard.
Limitations et mises en garde
La démonstration a été réalisée à des températures cryogéniques (gamme du réfrigérateur à dilution), ce qui est standard pour les qubits de spin à l’état solide mais limite le déploiement pratique. La technique d’habillage mécanique ajoute de la complexité à la fabrication du dispositif, nécessitant une ingénierie de contrainte précise dans le diamant. Les résultats actuels montrent un contrôle à qubit unique ; les opérations d’intrication entre deux spins habillés mécaniquement n’ont pas encore été démontrées.
Traduit par Lydie
Source
1. Cornell, E., Xu, Z., Wang, Z., Warner, H. K., Mann, E., Haas, M., Maity, S., Joe, G., Jiang, L., Rabl, P., Pingault, B., & Lončar, M. (2026). All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit. Nature Physics. https://doi.org/10.1038/s41567-026-03369-2