Manipulation cohérente quantique et lecture des états de vortex supraconducteurs

Une nouvelle façon de stocker l’information quantique

Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des problèmes bien au-delà des capacités des machines actuelles, mais leurs éléments de base — les qubits — sont fragiles et difficiles à concevoir. Cette étude révèle un type inattendu de qubit caché à l’intérieur même des matériaux supraconducteurs : de minuscules tourbillons de champ magnétique, appelés vortex, qui peuvent conserver l’information quantique pendant des durées étonnamment longues. Transformer ce qui était autrefois perçu comme une nuisance en ressource utile pourrait ouvrir de nouvelles voies vers des technologies quantiques plus simples et plus robustes.

Quand les supraconducteurs laissent la magnétisme s’infiltrer

Les supraconducteurs sont réputés pour expulser les champs magnétiques de leur intérieur, un phénomène à l’origine de technologies allant de l’imagerie par résonance magnétique aux détecteurs sensibles. Pourtant, lorsque le champ appliqué devient suffisamment fort, il peut percer le supraconducteur sous forme d’éléments discrets et filiformes appelés vortex. Dans les matériaux ordinaires, le centre de chaque vortex se comporte comme un métal normal, provoquant frottement et pertes d’énergie chaque fois que le vortex se déplace. C’est pourquoi les vortex ont longtemps été considérés comme des perturbateurs qui dégradent les performances des dispositifs supraconducteurs et des bits quantiques. La clé explorée ici est que dans un supraconducteur fortement désordonné et granulaire — constitué de nombreux grains d’aluminium séparés par de fines barrières isolantes — l’intérieur d’un vortex peut rester « gapped », c’est‑à‑dire qu’il ne dissipe pas facilement l’énergie. Dans ces conditions, les vortex peuvent cesser de se comporter comme des objets classiques et commencer à exhiber un comportement pleinement quantique.

Transformer des vortex en systèmes quantiques à deux états

Les chercheurs ont fabriqué un résonateur micro-ondes fin en aluminium granulaire, l’ont refroidi à quelques millièmes de degré au‑dessus du zéro absolu et ont appliqué un petit champ magnétique pendant le refroidissement. Cette procédure piège des vortex dans le dispositif à des emplacements précis. En balayant ensuite le champ magnétique et en sondant la réponse micro‑ondes du résonateur, l’équipe a observé des signatures nettes indiquant que le résonateur était fortement couplé à un système à deux niveaux distinct et accordable — essentiellement un objet quantique avec un état fondamental et un état excité — lié à la présence des vortex. Ils ont pu induire des transitions entre ces deux états à l’aide de courtes impulsions micro‑ondes, de la même manière que l’on manipule un qubit supraconducteur conventionnel, et lire l’état sans le détruire, grâce à une mesure quantique non destructrice (quantum non‑demolition).

Des tourbillons quantiques de longue durée

Des mesures résolues dans le temps ont révélé que ces états basés sur des vortex conservent leur énergie pendant des centaines de microsecondes, rivalisant avec les temps de vie de certains qubits soigneusement conçus utilisés dans les expériences de pointe actuelles. La cohérence de phase — la propriété qui permet l’existence de superpositions quantiques — durait des microsecondes et pouvait être prolongée grâce à des techniques d’écho qui annulèrent les dérives lentes de l’environnement. Des études statistiques sur de nombreux cycles de refroidissement ont indiqué que ces « qubits vortex » sont stables sur des périodes allant de plusieurs heures à des semaines, mais leur configuration microscopique peut changer d’un refroidissement à l’autre, reflétant des arrangements différents de vortex dans le paysage granulaire.

Un paysage de pièges et de tunnel quantique

Pour expliquer comment un vortex peut agir comme un système quantique à deux états, les auteurs ont modélisé l’énergie ressentie par un vortex à l’intérieur de la bande supraconductrice étroite. Parce que le film est granulaire et désordonné, il existe de nombreux minuscules sites d’ancrage (« pinning ») qui piègent localement les vortex. Lorsque le champ magnétique est ajusté, la profondeur relative de ces pièges change, créant efficacement un potentiel à double puits : deux positions proches à basse énergie séparées par une barrière. Près d’un champ « point sensible » particulier, les deux puits deviennent presque égaux en énergie, et le vortex peut alors effectuer du tunnel quantique entre eux plutôt que de sauter de façon classique. Dans ce régime, le vortex n’est plus confiné d’un côté ou de l’autre ; son état est une superposition d’être simultanément dans les deux pièges, formant le système à deux niveaux qui se couple au résonateur.

Des défauts indésirables à outils quantiques utiles

En montrant que des vortex piégés dans un supraconducteur granulaire peuvent se comporter comme des bits quantiques contrôlables et de longue durée, ce travail transforme un inconvénient de longue date des dispositifs supraconducteurs en opportunité. Si le schéma de base — des vortex effectuant du tunnel entre des sites d’ancrage voisins dans un réseau désordonné de type jonction — est confirmé par de futures expériences d’imagerie et de spectroscopie, des qubits basés sur des vortex similaires pourraient être réalisés dans une large gamme de matériaux. Parce qu’ils émergent directement de la structure du supraconducteur, de tels états pourraient servir à la fois de sondes intégrées du désordre microscopique et d’éléments d’une nouvelle plateforme basée sur les vortex pour le traitement quantique de l’information et la détection ultrasensible.

Citation: Nambisan, A., Günzler, S., Rieger, D. et al. Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states. Nature 653, 63–67 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10441-7

Mots-clés: qubits supraconducteurs, aluminium granulaire, vortex magnétiques, cohérence quantique, matériaux quantiques