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Dans le cadre des recherches sur les technologies quantiques émergentes, les chercheurs explorent des alternatives aux bits quantiques traditionnels. Parmi elles, les "qudits", des systèmes à plusieurs niveaux quantiques, offrent une richesse de manipulation encore inexploitée. Une équipe [1] du Laboratoire de Physique et d’Étude des Matériaux (LPEM) de l’ESPCI Paris - PSL s’est intéressée à un qudit naturel : l’ion chrome (Cr³⁺) présent dans un cristal de rubis, dont les quatre niveaux de spin peuvent interagir avec la lumière micro-onde dans une cavité supraconductrice. Leur étude éclaire les subtilités de cette interaction entre la matière et le champ électromagnétique dans un dispositif quantique miniature.
Un cristal de rubis (en rouge), contenant des ions chrome jouant le rôle de spins quantiques, est placé au centre d’une cavité micro-onde supraconductrice. Ce montage permet de sonder les interactions entre les spins et les photons à très basse température. Illustration réalisée par Zoé Velluire-Pellat, coautrice de l’étude.
Le dispositif expérimental associe un cristal de rubis à une cavité résonante fabriquée à partir d’un supraconducteur à haute température critique. En appliquant un champ magnétique et en utilisant la technique de résonance paramagnétique électronique (ESR), les chercheurs sondent les transitions entre les niveaux de spin du chrome. Ces transitions, analogues à des sauts d’électrons entre orbites, sont induites par les fluctuations quantiques du champ micro-onde dans la cavité.
L’originalité de l’approche réside dans la maîtrise du nombre et de l’intensité des transitions observables. En inclinant l’axe cristallin du rubis par rapport au champ magnétique, l’équipe parvient à faire varier la complexité du système : de deux à quatre transitions actives. À chaque configuration correspond un spectre ESR caractéristique, qui révèle la manière dont les spins absorbent ou échangent des photons avec la cavité.
Les mesures, effectuées à des températures allant de 30 millikelvins à 16 kelvins, montrent que l’intensité du couplage spin-photon dépend de deux mécanismes concurrents : la répartition thermique des populations de spin dans les niveaux et les règles de sélection quantiques qui gouvernent les transitions autorisées. En couplant cette exploration expérimentale à des simulations électromagnétiques précises, les chercheurs parviennent à modéliser finement la dynamique du système, et à valider le cadre théorique du modèle de Tavis–Cummings [2].
Si le régime de fort couplage, nécessaire pour des applications directes en informatique quantique, n’est pas encore atteint, l’étude démontre la faisabilité d’un contrôle fin sur des systèmes à spins élevés. Elle ouvre la voie à de futurs dispositifs de stockage ou de conversion d’information quantique exploitant des cristaux dopés, des cavités résilientes et des manipulations par micro-ondes, avec la promesse de combiner fidélité, compacité et diversité fonctionnelle.
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Références
Velluire-Pellat, Z., Maréchal, E., Feuillet-Palma, C. et al. Spin-photon interaction between a ruby crystal and a high-critical-temperature superconducting microwave cavity. Commun Phys 8, 236 (2025). https://doi.org/10.1038/s42005-025-02159-1
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Contact
Communication scientifique de l’ESPCI Paris – PSL : Paul Turpault 