Polarisation de spins à grande échelle par excitation optique dans des cristaux dopés par des ions de terres rares

Les spins optiquement actifs à l’état solide sont parmi les systèmes les plus prometteurs pour les technologies quantiques telles que la détection quantique ou la communication quantique. Par exemple, ils offrent un pont entre des qubits photoniques qui peuvent transmettre des informations quantiques sur de longues distances et des qubits de spin stationnaires qui peuvent agir comme processeurs et mémoires quantiques.

Un paramètre crucial est la durée de vie des états de superposition optiques et de spin, appelée temps de cohérence, qui devrait être aussi longue que possible pour les opérations quantiques de haute fidélité. Les temps de cohérence sont souvent limités par le bruit magnétique causé par des spins changeant aléatoirement d’état. Les techniques pour le réduire sont généralement complexes, elles peuvent par exemple utiliser des champs magnétiques de plusieurs T et / ou des températures inférieures à 100 mK. Dans de telles conditions, les spins se trouvent tous dans le même état. Ils sont fortement polarisés, ne changent plus d’état et le bruit magnétique est fortement réduit.

Dans ce travail, l’équipe Cristaux et Dynamique des Etats Quantiques de l’institut de Recherche de Chimie Paris à Chimie ParisTech, en collaboration avec l’Université de Genève, propose un nouveau schéma pour réaliser des systèmes sans bruit. Publié dans Physical Review X, celui-ci combine deux effets : l’excitation optique polarise un petit nombre de spins par transfert de population à travers un état excité; les interactions spin-spin diffusent cette polarisation vers les autres spins. Nous avons étudié ce processus dans un cristal dopé aux ions de terres rares, ¹⁷¹Yb³⁺: Y₂SiO₅. À une température de 2K et sous champ magnétique nul, un grand ensemble de spins est polarisé à plus de 90%, bien que seulement 0,5% des spins soient optiquement excités. Cette polarisation à grande échelle se traduit par une augmentation significative du temps de cohérence optique, confirmant ainsi la réduction drastique du bruit magnétique.

Ce schéma pourrait être appliqué à une large gamme de systèmes à l’état solide pour obtenir une amélioration similaire des temps de cohérence optique et de spin pour les technologies quantiques à haute performance. 

Publication: 

Welinski, S.; Tiranov, A.; Businger, M.; Ferrier, A.; Afzelius, M.; Goldner, P. Coherence Time Extension by Large-Scale Optical Spin Polarization in a Rare-Earth Doped Crystal. Phys. Rev. X 2020, 10 (3), 031060. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.031060.