Une étude, dont les résultats ont été publiés dans la revue Science, a permis, grâce à l'effet Stark hyperfin, de mettre au point une procédure qui ouvre la voie au développement d'ordinateurs à qubits nucléaires.

A l'instar du spin des électrons, le spin des noyaux peut être un support possible pour un qubit d’information. Si cette solution nucléaire a la qualité «de rendre la superposition d’états quantiques avec plusieurs qubits moins sensible à la décohérence», l'utilisation des spins nucléaires est problématique, car, jusqu'à présent, les qubits nucléaires «se manipulaient uniquement à l’aide de champs magnétiques», ce qui impose d'intégrer des microbobines «difficilement miniaturisables» et «gourmandes en courant électrique» sur les circuits quantiques».

L'étude, ici présentée résout ce problème en employant à la place d’un champ magnétique, un champ électrique, qui a l'avantage de faire basculer rapidement les spins nucléaires. Cependant, en réalité, «c’est bien un champ magnétique qui, in fine, contrôle les qubits», car celui-ci est indirectement généré par l'effet Stark hyperfin.

Plus précisément, la structure hyperfine d'un atome découle du fait que le mouvement des électrons sur des orbites quantiques autour du noyau génère «un champ magnétique qui se couple au moment magnétique des noyaux atomiques» (et également au «champ magnétique créé par le moment magnétique intrinsèque des électrons»), ce couplage produisant «des niveaux d’énergie supplémentaires différant peu des niveaux d’énergies principaux dans un atome».

Ainsi, l'effet Stark, obtenu lorsqu'un champ électrostatique modifie «les niveaux d’énergies associés aux orbites des électrons dans un atome», permet de modifier «l’interaction magnétique entre les moments magnétiques des noyaux et les électrons sur ces niveaux d’énergies hyperfins», ce qui conduit à «faire basculer à volonté dans un sens ou un autre le spin de certains noyaux en y générant un champ magnétique».

La démonstration de l'efficacité de la procédure a été faite avec un noyau de terbium, «un élément qui fait partie des terres rares, sous forme d’ion Tb3+ au cœur d’une molécule magnétique de TbPc2». L'ion Tb3+, entouré par deux molécules de phthalocyanine, constitue avec la molécule magnétique de TbPc2 «une sorte de transistor connecté à trois électrodes».

Cette méthode, qui pourrait être «applicable à d’autres systèmes quantiques similaires et donc à d’autres collections de noyaux pouvant porter des qubits sous forme d’états de spin nucléaire», ouvre donc la voie au développement «de nouveaux types de circuits électroniques pour l’informatique quantique».