Mise au point de la plus haute qualité au monde de la résonance supraconductrice à longue durée de vie

En tant que technologie de base pour la mémoire quantique et la correction des erreurs

Un groupe de recherche conjoint composé de Yusuke Tominaga, chercheur, équipe de recherche sur les circuits quantiques hybrides, centre de recherche en informatique quantique, RIKEN, Shotaro Shirai, chercheur, école supérieure des arts et des sciences, université de Tokyo, Yuji Hishida, ingénieur de recherche, laboratoire de supraconductivité des TIC, centre de recherche frontalier de Kobe, futur institut de recherche sur les TIC, institut national des technologies de l’information et des communications (NICT), et Atsushi Noguchi, professeur associé, école supérieure des arts et des sciences, université de Tokyo, a annoncé qu’un nouveau circuit quantique hybride avait été mis au point pour la première fois au monde.

Le groupe de recherche conjoint de Yuji Hishida, ingénieur de recherche, Hirotaka Terai, chercheur principal, et Atsushi Noguchi, professeur associé (directeur de l’équipe de recherche sur les circuits quantiques hybrides, RIKEN Quantum Computing Research Centre), Graduate School of Arts and Sciences, Université de Tokyo, a mis au point un nouveau supraconducteur de conception unique combinant un film de nitrure de titane de haute qualité et une forme en spirale, Le groupe de recherche a mis au point un résonateur supraconducteur planaire[2] dont la valeur Q interne[1], qui est un indicateur de longévité, est la plus élevée au monde.

Bien que les résonateurs planaires possèdent d’excellentes propriétés d’intégration, ils présentent une grande perte d’énergie à la surface et sont considérés comme désavantageux en termes de performances par rapport aux résonateurs dotés d’une structure de cavité tridimensionnelle [3]. Dans cette étude, la concentration du champ électrique sur la surface, qui entraîne une perte d’énergie, a été supprimée en contrôlant la distribution du champ électrique à l’aide d’une forme en spirale, et une valeur Q interne de 10 millions au niveau du photon unique[4], où la nature quantique devient importante, et proche de 100 millions à haute puissance a été atteinte. Il devrait s’agir d’une technologie fondamentale pour la réalisation de mémoires quantiques capables de conserver des informations quantiques pendant de longues périodes et pour l’informatique quantique à correction d’erreurs.

La recherche a été publiée dans l’édition en ligne de la revue scientifique EPJ Quantum Technology (13 juin).

Contexte

Dans les technologies quantiques telles que les ordinateurs et les capteurs quantiques, il est important de conserver les états quantiques aussi longtemps que possible. Les résonateurs supraconducteurs sont des dispositifs capables de retenir des photons dans la gamme des micro-ondes, et la clé de ces applications réside dans la manière d’augmenter la valeur Q interne, une mesure de leur performance.

Les résonateurs planaires sont particulièrement adaptés à la construction de circuits quantiques à grande échelle en raison de leur grande affinité avec les techniques de fabrication de semi-conducteurs existantes, telles que la photolithographie [5], et de leurs excellentes propriétés d’intégration. Cependant, ils souffrent d’une perte d’énergie importante à la surface du substrat et la plupart de leurs valeurs Q internes sont limitées à quelques millions au niveau du photon unique. Les résonateurs avec des structures de cavité tridimensionnelles ont été largement utilisés comme moyen d’obtenir des valeurs de Q internes élevées, et certains ont été signalés comme ayant des valeurs de Q internes allant jusqu’à un milliard, mais leurs grandes structures les rendent impropres à l’intégration, ce qui constitue une limitation à la future intégration à grande échelle des dispositifs d’information quantique.
Méthodes de recherche et résultats

Dans cette étude, des couches minces de nitrure de titane (TiN) de haute qualité obtenues par croissance épitaxiale[6] ont été formées sur un substrat afin de rechercher une structure géométrique optimale permettant de réduire la perte d’énergie de surface dans les résonateurs supraconducteurs planaires.

Dans les résonateurs de type guide d’ondes coplanaires linéaires [7], qui sont couramment utilisés comme types planaires, le champ électrique est fortement concentré sur la surface du métal ou du substrat, et l’énergie est facilement perdue en raison de l’interaction avec les défauts à deux niveaux (TLS) [8] sur la surface.

C’est pourquoi, dans cette étude, une géométrie en spirale (en forme de spirale) a été introduite pour réduire le chevauchement avec la surface en distribuant doucement le champ électrique à l’intérieur du résonateur (Fig. 1). Cet effet a été quantitativement vérifié par des simulations de champ électromagnétique basées sur la méthode des éléments finis [9], qui ont confirmé que la concentration du champ électrique sur la surface était significativement réduite par rapport aux structures conventionnelles.

Les résonateurs ont été fabriqués en plaçant plusieurs échantillons de géométries différentes en parallèle sur un substrat commun, et des mesures de transmission des micro-ondes ont été effectuées dans des conditions cryogéniques (environ 10 milli-Kelvins (mK, où K est l’unité de température absolue)). Le résonateur spiralé a ainsi atteint la valeur Q interne la plus élevée au monde, soit 10 millions au niveau du photon unique et près de 100 millions à haute puissance (nombre moyen de photons d’environ 10 à la neuvième puissance), ce qui représente une amélioration des performances de deux à quatre fois par rapport aux structures planaires conventionnelles (figure 2).

Perspectives d’avenir

Les présents résultats fournissent une ligne directrice pour la conception de la suppression des pertes par la conception structurelle, indépendamment de la structure tridimensionnelle, et devraient considérablement élargir le potentiel des dispositifs supraconducteurs planaires pour les applications futures telles que la correction d’erreurs quantiques et la mise en œuvre de la mémoire quantique.
Informations complémentaires.

1.Valeur Q interne.
La fréquence de résonance multipliée par l'inverse du taux de perte d'énergie provenant de l'intérieur du résonateur. En d'autres termes, plus cette valeur est élevée, plus l'énergie (ou l'information) peut être conservée longtemps à l'intérieur du résonateur.

2.Résonateur supraconducteur
Composant essentiel de l'informatique quantique et de la recherche en physique avancée, utilisé comme mémoire quantique en combinaison avec des qubits, ainsi que pour lire des informations quantiques et effectuer des mesures très sensibles.

3.Résonateurs à structure de cavité tridimensionnelle
Structure dans laquelle les ondes électromagnétiques sont confinées dans un espace tridimensionnel (cavité) entouré de métal ou d'un autre matériau. Il est possible d'obtenir des valeurs Q internes très élevées, mais l'intégration est difficile en raison de la grande taille de la structure.

4.Photon unique
Particule unique qui est la plus petite unité d'énergie d'une onde électromagnétique. Dans le traitement quantique de l'information, il est important que l'information soit contenue dans un seul photon.

5.Photolithographie
Technologie de fabrication de semi-conducteurs qui utilise la lumière ultraviolette ou une autre lumière pour transférer de minuscules schémas de circuits électroniques sur un substrat. Elle est largement utilisée dans la fabrication des circuits intégrés à grande échelle d'aujourd'hui.

6.Croissance épitaxiale
Technologie qui permet de faire croître des couches minces de manière ordonnée le long de la structure cristalline du substrat. Elle permet de former des couches minces avec moins de désordre cristallin et de défauts, et est efficace pour réduire la perte d'énergie dans les dispositifs quantiques.

7.Guide d'ondes coplanaire
Ligne électrique comportant une ligne de signal et une électrode de terre (masse) à chaque extrémité sur le même plan. L'énergie du champ électromagnétique est stockée entre la ligne de signal et la masse.

8.Défauts à deux niveaux (TLS)
Défauts provenant de perturbations structurelles microscopiques dans un solide et se comportant comme un système quantique avec deux états d'énergie. Ils absorbent l'énergie dans les dispositifs quantiques et provoquent des pertes ; TLS signifie système à deux niveaux.

9.Simulation du champ électromagnétique basée sur la méthode des éléments finis.
Méthode de calcul permettant d'obtenir une approximation de la distribution des champs électriques et magnétiques en divisant une structure ou un espace en petites parties.

Yusuke Tominaga, Shotaro Shirai, Yuji Hishida, Hirotaka Terai, Atsushi Noguchi, « Intrinsic Quality Factors Approaching 10 Million in Superconducting Planar Resonators Enabled by Spiral Geometry », EPJ Quantum Technology, DOI : 10.1140/epjqt/s40507-025-00367-w