Coherences optiques limitées par la durée de vie et spins sur sous-seconde dans 171Yb3+:CaWO4

Pourquoi les états quantiques de longue durée sont importants

Les ordinateurs quantiques et les réseaux de communication ultra-sécurisés promettent de transformer notre manière de traiter et de partager l'information, mais ils reposent sur des états quantiques fragiles qui disparaissent généralement en une fraction de seconde. Cette étude explore un nouveau matériau cristallin solide capable d'héberger des états quantiques d'une longévité remarquable et contrôlables par la lumière. En stabilisant ces états bien plus longtemps que d'habitude, ce travail constitue une avancée importante vers des mémoires quantiques, des interfaces et des capteurs pratiques.

Un nouvel habitat pour des bits quantiques fragiles

Les chercheurs se concentrent sur un cristal appelé tungstate de calcium (CaWO4) dopé par une faible quantité d'ions d'ytterbium d'un type précis, connu sous le nom de ¹⁷¹Yb³⁺. Chacun de ces ions se comporte comme un petit aimant quantique où l'électron et le noyau contribuent à la caractéristique magnétique. Comme le cristal contient très peu d'autres atomes magnétiques, l'environnement autour de chaque ion d'ytterbium est exceptionnellement calme. Ce faible niveau de bruit de fond est essentiel : il permet aux états quantiques des ions de perdurer longtemps au lieu d'être rapidement brouillés par des perturbations magnétiques aléatoires dans le solide.

Sonder la structure cachée avec la lumière et des champs magnétiques

Pour comprendre et contrôler ces états quantiques, l'équipe a d'abord cartographié en détail l'agencement des niveaux d'énergie des ions. Ils ont refroidi le cristal à quelques degrés au-dessus du zéro absolu et l'ont éclairé avec une lumière laser très stable tout en appliquant des champs magnétiques soigneusement contrôlés. En mesurant comment le cristal absorbait la lumière à des couleurs et des polarisations légèrement différentes, ils ont pu déterminer comment les spins électroniques et nucléaires interagissent à la fois dans les états de plus basse énergie (fondamentaux) et dans les états excités de l'ion. Les pics d'absorption observés étaient extrêmement nets, ce qui signifie que les ions perçoivent des environnements presque identiques dans le cristal, condition clé pour un contrôle optique précis d'ensembles importants d'ions.

Créer des mémoires de spin de longue durée

Munis de ce schéma de niveaux, les chercheurs ont utilisé des paires de faisceaux laser pour manipuler optiquement les états de spin des ions, sans recourir aux micro-ondes. Ils ont conçu une séquence d'impulsions lumineuses qui pousse d'abord presque tous les ions dans un état de spin unique et bien choisi, puis les bascule dans une paire spéciale d'états connue sous le nom de transition « horloge ». Dans cette configuration, les deux états répondent de façon presque identique aux champs magnétiques externes, de sorte que les fluctuations de l'environnement ont très peu d'effet sur l'écart d'énergie entre eux. Des mesures d'écho de spin — où une série d'impulsions révèle combien de temps les spins restent en phase les uns avec les autres — ont montré que l'état collectif de spin pouvait rester cohérent environ 0,15 seconde à champ magnétique nul, une valeur record pour ce type de système dans ces conditions.

Une lumière qui se souvient presque jusqu'à sa limite naturelle

L'équipe a aussi étudié pendant combien de temps les transitions optiques elles-mêmes restent bien définies. En utilisant une technique appelée écho de photons, ils ont envoyé deux impulsions lumineuses et observé le cristal émettre un faible signal d'écho révélant la vitesse à laquelle l'information de phase optique se perd. Ils ont constaté que lorsque la population de spins est préparée de manière à supprimer les processus perturbateurs d'échange de spins, le temps de cohérence optique atteint environ 0,75 milliseconde — presque exactement ce à quoi on s'attend d'après la durée de vie naturelle de l'état excité. Autrement dit, la limite principale n'est plus le bruit environnemental mais la règle de base selon laquelle un ion excité finit par émettre un photon et se relaxer. C'est l'une des meilleures performances de cohérence optique jamais rapportées pour un émetteur paramagnétique en solide.

Vers des dispositifs quantiques pratiques

Ces résultats montrent que ¹⁷¹Yb³⁺ dans CaWO4 combine plusieurs propriétés très recherchées : des raies optiques finement résolues permettant un contrôle sélectif, des états de spin qui peuvent être initialisés et manipulés uniquement par la lumière, et des durées de cohérence exceptionnellement longues pour le spin et l'optique, même sans appliquer un champ magnétique fort. Les auteurs soutiennent qu'en réduisant la concentration d'ions d'ytterbium ou en optimisant davantage le matériau, ces durées pourraient être prolongées encore. En raison de cette combinaison unique de caractéristiques, le matériau est un candidat solide pour les technologies quantiques futures, y compris les mémoires quantiques optiques, les dispositifs de conversion entre micro-ondes et lumière, et les interfaces à ion unique reliant des bits quantiques stationnaires à des photons circulant dans des réseaux optiques.

Citation: Tiranov, A., Green, E., Hermans, S. et al. Sub-second spin and lifetime-limited optical coherences in ¹⁷¹Yb³⁺:CaWO₄. Nat Commun 17, 4115 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70534-9

Mots-clés: mémoire quantique, spins dans les solides, ions de terres rares, cohérence optique, mise en réseau quantique