L’architecture quantique transformée par un commutateur programmable

Quel serait l’intérêt d’un ordinateur ultra-puissant dont on ne pourrait pas lire les résultats, ou qu’on ne pourrait pas reprogrammer pour exécuter différentes tâches ? Les concepteurs d’ordinateurs quantiques sont confrontés à ces défis, et un nouveau dispositif pourrait aider à les résoudre.

Introduit par une équipe de scientifiques de l’Institut National des Standards et de la Technologie (NIST), ce dispositif comprend deux bits quantiques supraconducteurs, ou qubits, qui sont l’équivalent quantique des bits logiques d’une puce de traitement classique. La pierre angulaire de cette nouvelle stratégie réside dans un dispositif de « commutation » qui connecte les qubits à un circuit appelé « résonateur de lecture » capable de lire les résultats des calculs des qubits.

Ce commutateur peut être basculé dans différents états pour ajuster la force des connexions entre les qubits et le résonateur de lecture. Lorsqu’il est désactivé, les trois éléments sont isolés les uns des autres. Lorsqu’il est activé pour connecter les deux qubits, ils peuvent interagir et effectuer des calculs. Une fois les calculs terminés, le commutateur peut connecter l’un ou l’autre des qubits et le résonateur de lecture pour récupérer les résultats.

Un commutateur programmable pour réduire le bruit

Ce commutateur programmable contribue grandement à réduire le bruit, un problème courant dans les circuits des ordinateurs quantiques qui rend difficile pour les qubits d’effectuer des calculs et d’afficher clairement leurs résultats.

« Le but est de permettre aux qubits de calculer sans distractions, tout en étant en mesure de les lire lorsque nous le souhaitons« , a déclaré Ray Simmonds, physicien au NIST et co-auteur de l’article. « Cette architecture de dispositif aide à protéger les qubits et promet d’améliorer notre capacité à réaliser les mesures de haute fidélité nécessaires pour construire des processeurs d’informations quantiques à partir de qubits.« 

Les ordinateurs quantiques, encore à l’étape de développement naissant

Les ordinateurs quantiques, qui en sont encore à un stade naissant de développement, tireraient parti des propriétés étranges de la mécanique quantique pour accomplir des tâches que même nos ordinateurs classiques les plus puissants trouvent inextricables, comme aider au développement de nouveaux médicaments en effectuant des simulations sophistiquées des interactions chimiques.

Cependant, les concepteurs d’ordinateurs quantiques sont toujours confrontés à de nombreux problèmes. L’un d’entre eux est que les circuits quantiques sont perturbés par le bruit externe ou même interne, qui provient des défauts dans les matériaux utilisés pour fabriquer les ordinateurs. Ce bruit est essentiellement un comportement aléatoire qui peut créer des erreurs dans les calculs des qubits.

Une architecture statique contre une architecture programmable

De nombreux designs d’ordinateurs quantiques ont ce que l’on appelle une architecture statique, où chaque qubit du processeur est physiquement connecté à ses voisins et à son résonateur de lecture. Le câblage fabriqué qui relie les qubits entre eux et à leur lecture peut les exposer à encore plus de bruit.

Ces architectures statiques ont un autre inconvénient : elles ne peuvent pas être facilement reprogrammées. Les qubits d’une architecture statique pourraient effectuer quelques tâches liées, mais pour que l’ordinateur puisse effectuer une plus grande variété de tâches, il faudrait changer la conception du processeur avec une organisation ou une disposition différente de qubits. (Imaginez avoir à changer la puce de votre ordinateur portable chaque fois que vous avez besoin d’utiliser un logiciel différent, puis considérez que la puce doit être maintenue juste au-dessus du zéro absolu, et vous comprendrez pourquoi cela pourrait s’avérer gênant.)

Le commutateur programmable pour résoudre ces problèmes

Le commutateur programmable de l’équipe contourne ces deux problèmes. Premièrement, il empêche le bruit du circuit de se faufiler dans le système par le biais du résonateur de lecture et empêche les qubits de dialoguer entre eux lorsqu’ils sont censés être silencieux.

« Cela réduit une source clé de bruit dans un ordinateur quantique« , a précisé Ray Simmonds.

Deuxièmement, l’ouverture et la fermeture des commutateurs entre les éléments sont contrôlées par une série d’impulsions micro-ondes envoyées à distance, plutôt que par les connexions physiques d’une architecture statique. L’intégration de davantage de ces commutateurs programmables pourrait constituer la base d’un ordinateur quantique plus facilement programmable. Les impulsions micro-ondes peuvent également définir l’ordre et la séquence des opérations logiques, ce qui signifie qu’une puce construite avec de nombreux commutateurs de l’équipe pourrait être instruite pour effectuer un nombre illimité de tâches.

« Cela rend la puce programmable« , a ajouté Ray Simmonds. « Plutôt que d’avoir une architecture complètement fixe sur la puce, vous pouvez apporter des modifications via le logiciel.« 

Un dernier avantage est que le commutateur peut également activer la mesure des deux qubits en même temps. Cette capacité à demander aux deux qubits de se révéler en couple est importante pour traquer les erreurs de calcul quantique.

Vers une architecture quantique plus puissante

Les qubits de cette démonstration, ainsi que le commutateur et le circuit de lecture, étaient tous fabriqués à partir de composants supraconducteurs qui conduisent l’électricité sans résistance et doivent être exploités à des températures très froides. Le commutateur lui-même est fait d’un dispositif d’interférence quantique supraconducteur, ou « SQUID« , qui est très sensible aux champs magnétiques traversant sa boucle. Envoyer un courant micro-ondes à travers une antenne proche peut induire des interactions entre les qubits et le résonateur de lecture lorsque nécessaire.

À ce stade, l’équipe n’a travaillé qu’avec deux qubits et un seul résonateur de lecture, mais Simmonds a déclaré qu’ils préparaient un design avec trois qubits et un résonateur de lecture, et ils ont l’intention d’ajouter plus de qubits et de résonateurs à l’avenir. Des recherches supplémentaires pourraient offrir des perspectives sur la façon de connecter de nombreux dispositifs de ce type, offrant potentiellement une façon de construire un ordinateur quantique puissant avec suffisamment de qubits pour résoudre les types de problèmes qui, pour l’instant, sont insurmontables.

Légende illustration principale : elle montre la zone de travail centrale de l’appareil. Dans la partie inférieure, les trois grands rectangles (bleu clair) représentent les deux bits quantiques, ou qubits, à droite et à gauche, et le résonateur au centre. Dans la partie supérieure, agrandie, l’émission de micro-ondes à travers l’antenne (grand rectangle bleu foncé en bas) induit un champ magnétique dans la boucle SQUID (petit carré blanc au centre, dont les côtés mesurent environ 20 micromètres de long). Le champ magnétique active l’interrupteur à bascule. La fréquence et l’amplitude des micro-ondes déterminent la position de l’interrupteur et la force de la connexion entre les qubits et le résonateur. Credit: R. Simmonds/NIST

L’équipe, qui comprend également des scientifiques de l’université du Massachusetts Lowell, de l’université du Colorado Boulder et de Raytheon BBN Technologies, décrit ses résultats dans un article publié aujourd’hui dans Nature Physics.

Article : T. Noh, Z. Xiao, X.Y. Jin, K. Cicak, E. Doucet, J. Aumentado, L.C.G. Govia, L. Ranzani, A. Kamal et R.W. Simmonds. Strong parametric dispersive shifts in a statically decoupled two-qubit cavity QED system. Nature Physics. Publié en ligne le 26 juin 2023. DOI: 10.1038/s41567-023-02107-2