Des chercheurs de l’équipe Matériaux pour la Photonique et l’Optoélectronique de l’Institut de recherche de chimie Paris (IRCP, CNRS / Chimie ParisTech – PSL), dont fait notemment partie Philippe Goldner, directeur de recherche CNRS et responsable de l’Axe 1 « Cristaux et dynamique des états quantiques », en collaboration avec le Service de physique de l’état condensé (CNRS/CEA), ont mis au point une nouvelle méthode pour mesurer le temps de cohérence d’états quantiques lorsque le nombre d’émetteurs est extrêmement faible. Cette avancée, publiée dans Physical Review Letters, constitue une contribution majeure au développement des technologies quantiques et s’inscrit pleinement dans les priorités du PEPR Quantique.

La cohérence quantique, un verrou scientifique pour les nanomatériaux. Dans les systèmes quantiques, la cohérence est une propriété fondamentale : elle détermine combien de temps un état quantique reste bien défini avant d’être perturbé par son environnement. Cette durée, appelée temps de cohérence (T₂), conditionne directement l’efficacité d’applications telles que le stockage ou la transmission d’information quantique. Plus ce temps est long, plus l’état est exploitable pour les technologies quantiques. Ce temps de cohérence est généralement relié à la largeur de raie optique Γₕ, inversement proportionnelle à T₂ (Γₕ = 1/πT₂). Or, dans les nanomatériaux tels que les films minces ou les nanoparticules dopés aux ions de terres rares, le nombre d’émetteurs est souvent très faible, rendant les méthodes classiques de mesure inadaptées.

Une nouvelle stratégie expérimentale mise au point. Pour dépasser cette limitation, les chercheurs ont conçu une approche originale : plutôt que de détecter un écho de photons cohérent — trop faible lorsque le nombre d’ions est réduit —, les chercheurs mesurent la variance de la fluorescence, c’est-à-dire les fluctuations statistiques d’une lumière émise de manière incohérente. Ces fluctuations contiennent l’empreinte du temps de cohérence T₂. L’expérience a été menée sur un cristal dopé à l’erbium contenant seulement environ 1 700 ions émetteurs. Malgré ce nombre extrêmement réduit, la méthode a permis d’obtenir des informations fiables sur la cohérence quantique, avec un dispositif expérimental relativement simple, utilisant un laser et une détection standards.

Des perspectives majeures pour les technologies quantiques miniaturisées. Cette avancée ouvre de nouvelles possibilités pour l’étude de nanomatériaux faiblement dopés, particulièrement prometteurs pour la conception de qubits, de mémoires quantiques et de capteurs quantiques à l’échelle nanométrique. En rendant possible la caractérisation de la cohérence quantique dans des systèmes jusque-là difficiles d’accès expérimentalement, ce travail constitue un jalon important pour le développement de futures technologies quantiques. Il a bénéficié du soutien du PEPR Quantique, de l’ANR et du European Research Council (ERC), et confirme le rôle déterminant de Chimie ParisTech – PSL dans ce domaine de recherche stratégique.

Pour en Savoir plus. 

Incoherent Measurement of a Sub-10 kHz Optical Linewidth, Felix Montjovet-Basset, Jayash Panigrahi, Diana Serrano, Alban Ferrier, Emmanuel Flurin, Patrice Bertet, Alexey Tiranov & Philippe Goldner, Physical Review Letters 2025. 
DOI: https://doi.org/10.1103/xkp5-v9m8

Légende photo : Une séquence d’écho de photons (en haut à gauche) crée de fortes fluctuations de fluorescence pour un ensemble d’émetteurs (en haut à droite), ce qui permet de déterminer leur durée de vie quantique. Cette méthode est adaptée au développement de nanomatériaux dopés par des ions de terres rares tels qu’un film mince de 200 nm d’épaisseur déposé sur un wafer de silicium de 5 cm de diamètre (partie basse © Nolwenn Buvat, photographe professionnelle). © Nolwenn Buvat, photographe professionnelle.

En savoir plus sur l’Axe 1 : Cristaux et dynamique des états quantiques de l’équipe MPOE