Révision de l'équation fondamentale des bits quantiques supraconducteurs

Une découverte récente remet en question les fondements mêmes de la technologie des qubits supraconducteurs. Des chercheurs internationaux ont mis en lumière des subtilités inattendues dans les jonctions Josephson, ouvrant l’accès à des qubits potentiellement plus stables et fiables.

Des physiciens du Centre de recherche de Jülich et de l’Institut de Technologie de Karlsruhe ont révélé que les jonctions Josephson, éléments fondamentaux des ordinateurs quantiques supraconducteurs, présentent une complexité supérieure à ce que l’on croyait. À l’instar des harmoniques dans un instrument de musique, des fréquences supplémentaires se superposent au mode fondamental.

Cette découverte suggère que des corrections pourraient conduire à des qubits de 2 à 7 fois plus stables. Les chercheurs étayent leurs résultats par des preuves expérimentales issues de multiples laboratoires à travers le monde, y compris l’Université de Cologne, l’École Normale Supérieure à Paris et IBM Quantum à New York.

Une Collaboration Internationale Fructueuse

Le projet a débuté en 2019, lorsque Dennis Willsch et Dennis Rieger, alors doctorants au FZJ et au KIT, ont rencontré des difficultés à interpréter leurs expériences en utilisant le modèle standard des jonctions Josephson, modèle qui avait valu à Brian Josephson le Prix Nobel de Physique en 1973.

Poussée par la curiosité, l’équipe dirigée par Ioan Pop a examiné de plus près les données de l’École Normale Supérieure à Paris et d’un dispositif de 27 qubits chez IBM Quantum à New York, ainsi que des données d’expériences précédemment publiées. Parallèlement, des chercheurs de l’Université de Cologne observaient des écarts similaires entre leurs données et le modèle standard.

Partie inférieure : En excitant des circuits supraconducteurs (jaune/bleu) avec des signaux micro-ondes (flèche rouge), les chercheurs peuvent analyser l’équation fondamentale qui décrit la jonction tunnel Josephson du circuit. Partie droite : Les chercheurs ont observé des écarts significatifs (courbe rouge) par rapport au modèle standard sinusoïdal (courbe verte). Partie gauche : zoom avant schématique d’une jonction tunnel composée de deux supraconducteurs (jaune/bleu) avec une fine barrière isolante entre les deux. Les grands canaux de conduction (boucles rouges) peuvent être responsables des écarts observés par rapport au modèle standard. Crédit : Dennis Rieger, Patrick Winkel

« Heureusement, Gianluigi Catelani, qui était impliqué dans les deux projets et a réalisé la superposition, a réuni les équipes de recherche ! », se souvient Dennis Willsch du FZ Jülich.

« Le timing était parfait », ajoute Chris Dickel de l’Université de Cologne, « car à ce moment-là, nous explorions des conséquences assez différentes du même problème sous-jacent. »

Vers une Modélisation Étendue des Qubits

Les jonctions Josephson sont composées de deux supraconducteurs séparés par une fine barrière isolante et, pendant des décennies, ces éléments de circuit ont été décrits par un modèle sinusoïdal simple. Comme le démontrent les chercheurs, ce « modèle standard » ne suffit pas à décrire pleinement les jonctions Josephson utilisées pour construire des qubits.

Un modèle étendu incluant des harmoniques supérieures est nécessaire pour décrire le courant de tunnel entre les deux supraconducteurs. Ce principe se retrouve également dans le domaine de la musique : lorsqu’une corde d’instrument est frappée, la fréquence fondamentale est accompagnée de plusieurs harmoniques.

« Il est passionnant de constater que les mesures dans la communauté ont atteint un niveau de précision tel que nous pouvons résoudre ces petites corrections à un modèle qui a été considéré comme suffisant pendant plus de 15 ans », remarque Dennis Rieger.

En synthèse

Quand les quatre professeurs coordinateurs – Ioan Pop du KIT et Gianluigi Catelani, Kristel Michielsen et David DiVincenzo du FZJ – ont pris conscience de l’impact de leurs découvertes, ils ont rassemblé une large collaboration d’expérimentateurs, de théoriciens et de scientifiques des matériaux pour présenter un cas convaincant en faveur du modèle des harmoniques de Josephson.

Dans la publication de Nature Physics, les chercheurs explorent l’origine et les conséquences des harmoniques de Josephson. « Comme conséquence immédiate, nous pensons que les harmoniques de Josephson aideront à concevoir des qubits meilleurs et plus fiables en réduisant les erreurs jusqu’à un ordre de grandeur, ce qui nous rapproche d’un pas vers le rêve d’un ordinateur quantique supraconducteur universel », concluent les deux premiers auteurs.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’une jonction Josephson ?

Une jonction Josephson est un composant électronique supraconducteur qui permet le passage d’un courant sans résistance à travers une barrière isolante entre deux supraconducteurs.

Pourquoi les harmoniques de Josephson sont-elles importantes ?

Les harmoniques de Josephson révèlent que le modèle standard est insuffisant pour décrire avec précision le comportement des jonctions Josephson, ce qui est crucial pour l’amélioration de la stabilité des qubits.

Quelles sont les implications de cette découverte pour l’informatique quantique ?

Cette découverte pourrait conduire à la fabrication de qubits supraconducteurs plus stables et fiables, réduisant ainsi les erreurs dans les calculs quantiques.

Quels laboratoires ont contribué à cette recherche ?

Des preuves expérimentales ont été fournies par des laboratoires tels que l’Université de Cologne, l’École Normale Supérieure à Paris et IBM Quantum à New York.