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Les systèmes évolutifs de contrôle des bits quantiques présentent des taux d’erreur très faibles, ce qui est important pour la fabrication de dispositifs pratiques.
Un obstacle majeur au développement d’ordinateurs quantiques pratiques a été la difficulté de mise à niveau – la construction de dispositifs avec un grand nombre de bits quantiques (qubits) qui fournissent également des résultats précis en présence de bruit environnemental. Maintenant, les chercheurs rapportent une augmentation significative de la précision d’une technologie qui est déjà connue pour être beaucoup plus facile à améliorer que les techniques conventionnelles [1]. Cette technologie alternative utilise des unités de flux magnétique appelées quanta de flux pour contrôler les qubits supraconducteurs conventionnels. Le taux d’erreur réduit provient de la séparation physique des circuits de contrôle des qubits. Avec un raffinement supplémentaire, la technologie flux-quanta pourrait fournir une voie supérieure pour l’informatique quantique pratique.
De nombreuses tentatives actuelles pour effectuer des opérations de logique quantique – l’unité de base de l’informatique – utilisent de courtes impulsions micro-ondes pour contrôler les qubits. Mais à l’heure actuelle, cette technologie est difficile à mettre à l’échelle au-delà de 1000 qubits. Mais la présence de bruit environnemental nécessite une méthode de correction d’erreur qui repose sur un grand nombre de qubits, peut-être un million ou plus, pour un système de correction d’erreur efficace qui effectue des calculs utiles, suggèrent certaines estimations.
Dans une approche alternative à la construction de systèmes quantiques, les qubits sont contrôlés à l’aide de ce que l’on appelle des quanta de flux uniques, les plus petites unités de flux magnétique créées dans les dispositifs supraconducteurs. Les chercheurs pensent que cette technique de contrôle qubit peut être mise à l’échelle plus facilement que le contrôle par micro-ondes, car le matériel consomme beaucoup moins d’énergie, ce qui réduit la puissance de refroidissement cryogénique requise, une préoccupation clé pour les grands systèmes informatiques quantiques.
Chaque calcul quantique implique une séquence d’opérations logiques de base, dont chacune modifie l’état du qubit d’une manière ou d’une autre. Le principal défi dans le développement de la technologie single-flux-quanta est de démontrer la capacité à effectuer cette opération avec précision. Dans une étude antérieure, Robert McDermott de l’Université du Wisconsin-Madison et ses collègues ont démontré une précision de 91 %, un résultat qui a ensuite été porté à près de 98 %. Maintenant, McDermott, l’étudiant diplômé Chuan-Hong Liu, et leurs collègues ont poussé la technique encore plus loin, atteignant une précision supérieure à 99 % en plaçant un dispositif qui génère des quanta de flux sur une puce physiquement différente de celles prenant en charge les qubits sur lesquels les opérations sont effectuées. Liu a déclaré que la séparation physique réduit les interférences entre le générateur d’impulsions de flux et les qubits.
Pour démontrer l’amélioration, les chercheurs ont fabriqué deux puces planes placées en parallèle dans une structure en sandwich. Sur la puce supérieure, ils ont construit deux qubits transmon, chacun capable de stocker un qubit d’informations quantiques en utilisant le flux magnétique dans des circuits supraconducteurs. La puce inférieure héberge deux circuits supraconducteurs similaires, chacun formant la base d’un seul générateur de flux quantique qui peut modifier l’état des qubits dans la puce du dessus en envoyant des impulsions de flux quantique. Les chercheurs ont connecté les deux plaquettes via une série de ponts étroits en indium. Cette connexion supraconductrice est conçue pour empêcher les perturbations physiques indésirables générées par les générateurs – en particulier l’excitation des trous d’électrons et des quanta vibrationnels appelés phonons – d’affecter les qubits.
Dans une série de tests, les chercheurs ont mesuré la capacité des générateurs d’impulsions de flux à déclencher des opérations logiques précises sur les qubits en faisant varier divers paramètres de fonctionnement. Ces paramètres comprennent le courant d’entraînement du générateur et sa fréquence de fonctionnement. Après avoir trouvé les réglages de paramètres optimaux, ils ont testé la précision du générateur d’impulsions dans la conduite de l’opération logique souhaitée et ont moyenné les résultats sur une plage d’états de qubit initiaux. Dans l’ensemble, l’équipe a constaté que les générateurs de flux produisaient des résultats incorrects dans 1,2 % de tous les cas, soit près de la moitié du taux d’erreur de 2,1 % signalé par un autre groupe l’année dernière. [2].
Dans les travaux futurs, l’équipe a l’intention d’améliorer les paramètres afin de réduire davantage les interférences entre les puces. « Avec cette optimisation », déclare Liu, « nous devrions être en mesure d’atteindre une précision de porte de 99,9 % ou même de 99,99 % avec une séquence d’impulsions optimisée ».
« Cet article est une réalisation formidable », a déclaré le spécialiste de l’information quantique Frank Wilhelm-Mauch de l’Université de la Sarre en Allemagne. Il ajoute que les résultats précédents de McDermott et de ses collègues suggèrent que la technique pourrait fonctionner en principe si le bruit du générateur d’impulsions dans les qubits peut être suffisamment réduit. « En plaçant les générateurs et les qubits sur des puces différentes, ils ont atténué ce problème. »
–Mark Buchanan
Mark Buchanan est un rédacteur scientifique indépendant qui partage son temps entre Abergavenny, en Angleterre, et Notre Dame de Courson, en France.
Référence
- CH Liu et coll.« Contrôle numérique quantique à flux unique d’un qubit supraconducteur dans un module multipuce, » PRX Quantique 4030310 (2023).
- L. Howe, « Contrôle numérique d’un qubit supraconducteur à l’aide d’un générateur d’impulsions Josephson à 3 K, » PRX Quantique 3010350 (2022).
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