Les ordinateurs quantiques traitent l’information d’une manière fondamentalement différente des ordinateurs classiques, en utilisant des bits quantiques, ou qubits, qui peuvent exister dans plusieurs états à la fois. Cela pourrait leur permettre de s’attaquer à des problèmes hors de portée des machines actuelles, de la simulation de nouveaux matériaux à l’optimisation de systèmes complexes.
Mais pour extraire des résultats utiles d’un processeur quantique, nous devons mesurer de manière fiable l’état de chaque qubit, une tâche qui reste l’un des principaux goulots d’étranglement du domaine.
L’une des principales approches de construction d’ordinateurs quantiques utilise des circuits supraconducteurs qui conduisent le courant sans résistance à des températures extrêmement basses.
Dans les ordinateurs quantiques supraconducteurs, les qubits sont mesurés en les couplant à des résonateurs micro-ondes. Le problème est que le condensateur reliant le qubit à son résonateur micro-ondes fait également que les deux systèmes se mélangent partiellement. Cela permet de mesurer le qubit, mais augmente aussi la probabilité que le qubit perde de l’information ou change d’état pendant la mesure elle-même.
Des chercheurs dirigés par Pasquale Scarlino à l’EPFL ont maintenant démontré une architecture de lecture alternative qui permet d’effectuer des mesures de qubits rapides et précises avec moins de composants supplémentaires. Ces travaux, publiés dans PRX Quantum, ont été menés en collaboration avec le groupe du professeur Alexandre Blais de l’Université de Sherbrooke, l’un des pionniers du calcul quantique supraconducteur.
« C’est un travail important qui démontre une nouvelle façon, plus efficace et plus rapide, de mesurer les qubits supraconducteurs de type transmon », explique Scarlino, faisant référence aux transmons, des qubits supraconducteurs conçus pour avoir une sensibilité réduite au bruit de charge.
La nouvelle architecture
Au lieu de l’approche standard consistant à relier le qubit à son résonateur de lecture à l’aide d’un simple condensateur, l’équipe a ajouté une « jonction Josephson » en parallèle avec le condensateur.
Une jonction Josephson, nommée d’après le physicien Brian Josephson, qui a reçu le prix Nobel de physique en 1973, est réalisée en prenant en sandwich une fine couche d’un matériau non supraconducteur entre deux couches de matériau supraconducteur. La mécanique quantique permet au courant électrique de traverser cette barrière par effet tunnel, créant ainsi un élément électrique non linéaire au cœur de nombreuses technologies quantiques.
Dans la nouvelle conception d’ordinateur quantique, la jonction Josephson crée un type d’interaction différent entre le qubit et le résonateur, offrant une protection intégrée contre l’un des principaux mécanismes qui amènent les qubits à perdre de l’information pendant la mesure. Cette protection supplémentaire permet d’effectuer la mesure avec un signal plus fort, produisant une distinction plus nette entre un 0 logique et un 1 logique, ce qui rend la mesure plus facile à identifier.
Grâce à cette approche, les chercheurs ont correctement identifié l’état du qubit dans 99,4 % des cas avec un temps d’intégration de seulement 68 nanosecondes. Ils ont également obtenu une fidélité quantique non destructive de 98,4 %, ce qui signifie que la mesure elle-même laissait presque toujours l’état du qubit inchangé.
Les expériences ont étroitement correspondu aux prédictions théoriques développées en collaboration avec les chercheurs de l’Université de Sherbrooke, fournissant une compréhension détaillée du fonctionnement de la nouvelle architecture.
Simplicité
Au-delà des performances, l’un des principaux avantages de la conception est sa simplicité. Les scientifiques ont pu effectuer des mesures de qubits rapides et précises sans avoir besoin de deux composants couramment utilisés dans les systèmes de lecture de qubits supraconducteurs les plus avancés : les filtres de Purcell et les amplificateurs proches de la limite quantique.
Leur élimination réduit l’empreinte du système et le nombre de composants à fabriquer et à calibrer, tout en restant compatible avec la lecture multiplexée, où de nombreux qubits sont mesurés via le même matériel.
Les chercheurs notent également que la même architecture est compatible avec des schémas de lecture linéaires plus conventionnels en ajustant les propriétés du résonateur, une approche qu’ils réservent aux futures générations de dispositifs.
La nouvelle architecture de lecture combine une mesure rapide et de haute fidélité des qubits avec une empreinte matérielle réduite. Les auteurs suggèrent que ces caractéristiques en font une alternative prometteuse pour la lecture des qubits supraconducteurs et soulignent qu’elle est compatible avec les architectures multiplexées et les futures implémentations.
Autres contributeurs
- Centre de science et d’ingénierie quantiques de l’EPFL,
- Laboratoire de photonique et de mesures quantiques de l’EPFL
- Centre RIKEN pour le calcul quantique (RQC)
- Institut canadien de recherches avancées (CIFAR)
Article : Fast, High-Fidelity Transmon Readout with Intrinsic Purcell Protection via Nonperturbative Cross-Kerr Coupling – Journal : PRX Quantum – DOI : Lien vers l’étude
