L’équipe Cristaux et Dynamique des Etats Quantiques/Matériaux pour la Photonique et l’Opto-Electronique (CQSD) de l’IRCP à Chimie ParisTech a mis au point un cristal capable de conserver des états quantiques pendant des durées exceptionnellement longues. Cette avancée, publiée dans Nature Communications, ouvre de nouvelles perspectives pour les technologies quantiques.

Un nouveau support pour stocker l’information quantique. Les technologies quantiques optiques (ordinateurs, capteurs très sensibles ou communications sécurisées) reposent sur une idée clé : pouvoir stocker et manipuler de l’information quantique portée par la lumière sans la perdre trop vite. Pour cela, les chercheurs s’intéressent aux ions de terres rares intégrés dans des cristaux qui comportent des transitions optiques et de spin adaptées à ces applications. Leurs propriétés quantiques sont cependant affectées par le bruit magnétique présent dans leur environnement, ce qui in fine limite leurs applications. L’équipe de l’Institut de recherche de chimie de Paris (CNRS / Chimie ParisTech – PSL), en collaboration avec Caltech (USA), a contourné ce problème en utilisant des ions ytterbium-171 insérés dans un cristal de tungstate de calcium. Ce matériau offre un environnement très stable, avec peu de perturbations magnétiques.

Des états quantiques mieux protégés et contrôlés par la lumière. Dans ce cristal, certains états des électrons sont particulièrement stables : ils sont très peu sensibles aux perturbations extérieures, un peu comme une “horloge” très précise. Cette propriété, combinée à la qualité du matériau, permet de préserver les états quantiques beaucoup plus longtemps qu’habituellement. Autre avancée importante : tout le contrôle du système se fait avec de la lumière. Des impulsions laser suffisent pour préparer, manipuler et lire les états quantiques, sans utiliser les dispositifs électroniques complexes habituellement nécessaires. Cela rend le système plus simple et plus souple à utiliser.

Des performances remarquables et des applications prometteuses. Les chercheurs ont mesuré une durée de cohérence des états quantiques de spin allant jusqu’à 0,15 seconde, un résultat très élevé pour ce type de matériau solide. Ce cristal apparaît ainsi comme une plateforme très prometteuse pour développer de futures mémoires quantiques, mais aussi des dispositifs capables de faire le lien entre différents types de signaux quantiques (lumière et micro-ondes). Ces travaux confirment des résultats précédents obtenus notamment en collaboration avec le CEA Saclay sur une autre terres rares : l’erbium. Ils ont été publiés dans Nature Communications, Science Advances et Nature Physics.

Vers de nouvelles plateformes. En parallèle à ces matériaux, l’équipe CQSD développe des cristaux moléculaires de terres rares qui montrent également de très bonnes propriétés quantiques dans le domaine optique. Celles-ci viennent d’être étendues aux spins dans une étude publiée par une équipe du KIT dans Nature Materials à laquelle l’équipe est associée.

Contacts:

1. Philippe Goldner, directeur de recherche CNRS, Directeur d’Unité Adjoint de l’IRCP
2. Diana Serrano, chargée de recherche CNRS

 Références :

Sub-second spin and lifetime-limited optical coherences in ¹⁷¹Yb3⁺:CaWO₄
Alexey Tiranov, Emanuel Green, Sophie Hermans, Erin Liu, Federico Chiossi, Diana Serrano, Pascal Loiseau, Achuthan Manoj Kumar, Sylvain Bertaina, Andrei Faraon & Philippe Goldner
Nature Communications 2026
https://doi.org/10.1038/s41467-026-70534-9

Optically detected nuclear magnetic resonance of coherent spins in a molecular complex, Evgenij Vasilenko, Vishnu Unni Chorakkunnath, Jeremias Resch, Nicholas Jobbitt, Diana Serrano, Philippe Goldner, Senthil Kumar Kuppusamy, Mario Ruben, David Hunger
Nature Materials 2026.
https://doi.org/10.1038/s41563-026-02539-

Wang, S. Lin, M. Le Dantec, M. Rančić, P. Goldner, S. Bertaina, T. Chaneliere, R. Liu, D. Esteve, D. Vion, E. Flurin, P. Bertet, “Week-long-lifetime microwave spectral holes in an erbium-doped scheelite crystal at millikelvin temperature” Nat Commun 2025, 16, 9032.

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64087-6

Travesedo, J. O’Sullivan, L. Pallegoix, Z. W. Huang, P. Hogan, P. Goldner, T. Chaneliere, S. Bertaina, D. Estève, P. Abgrall, D. Vion, E. Flurin, P. Bertet, “All-microwave spectroscopy and polarization of individual nuclear spins in a solid” Science Advances 2025.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu0581

O’Sullivan, J. Travesedo, L. Pallegoix, Z. W. Huang, P. Hogan, A. S. May, B. Yavkin, S. Lin, R.-B. Liu, T. Chaneliere, S. Bertaina, P. Goldner, D. Estève, D. Vion, P. Abgrall, P. Bertet, E. Flurin, “Individual solid-state nuclear spin qubits with coherence exceeding seconds” Nat. Phys. 2025, 1–7.

https://www.nature.com/articles/s41567-025-03049-7

En savoir plus sur le site de l’INC du CNRS

Image @Nolwenn Buvat