Transport quantique : Une avancée majeure grâce à un processeur quantique supraconducteur

Des chercheurs de Singapour et de Chine ont utilisé un processeur quantique supraconducteur pour étudier le phénomène du transport quantique avec une précision sans précédent. Une meilleure compréhension du transport quantique, qui peut se référer au flux de particules, de magnétisation, d’énergie ou d’informations à travers un canal quantique, pourrait permettre des avancées dans des technologies telles que la nanoélectronique et la gestion thermique.

« Nous sommes très enthousiastes car il s’agit pratiquement d’un nouveau paradigme pour les expériences de transport quantique », déclare Dario Poletti, membre du Centre for Quantum Technologies (CQT), dont les co-auteurs de la nouvelle étude publiée dans Nature Communications sont le professeur Haohua Wang de l’université de Zhejiang (ZJU) et le professeur Jie Hao de l’Institut d’automatisation de l’Académie des sciences de Chine (CAS).

Il a ajouté : « Nous pouvons maintenant accéder à des informations que nous ne pouvions pas obtenir auparavant avec d’autres mises en œuvre du transport quantique ».

Dario, qui est également professeur associé et chef de groupe à l’Université de technologie et de conception de Singapour (SUTD), et chercheur au sein du laboratoire de recherche international MajuLab, a élaboré des modèles théoriques de transport quantique avec les docteurs Xiansong Xu et Chu Guo, lorsqu’ils étaient tous deux étudiants en doctorat à l’Université de technologie et de conception de Singapour. Xiansong Xu est aujourd’hui professeur adjoint à l’université normale du Sichuan, tandis que Chu Guo est professeur adjoint au Henan Key Laboratory of Quantum Information and Cryptography. Ils ont testé ces modèles avec des expérimentateurs de la ZJU et de la CAS.

Les expériences réalisées sur le processeur quantique à 31 qubits de l’équipe du ZJU ont permis d’étudier la manière dont un courant de spin/particule circule entre deux groupes de qubits.

« Ces travaux montrent également l’utilité de la simulation quantique à l’ère du NISQ », explique Pengfei Zhang, chercheur postdoctoral au ZJU. Pengfei est le premier auteur de la publication avec Yu Gao, étudiant en doctorat au ZJU, et Xiansong Xu. NISQ désigne les dispositifs quantiques bruyants à échelle intermédiaire.

Une image unifiée

Le transport quantique se produit lorsqu’il y a un déséquilibre ou un non-équilibre entre des systèmes en contact. Par exemple, une différence de température entraîne un flux de chaleur jusqu’à ce que les systèmes soient thermalisés, tandis qu’une différence de tension entraîne un courant.

Les chercheurs ont étudié le transport entre deux groupes de qubits de magnétisation différente. Dans un groupe, ou bain, tous les qubits ont été initialisés en spin-down, tandis que dans l’autre bain, la moitié des qubits étaient en spin-down et l’autre moitié en spin-up, avec une magnétisation moyenne nulle. Les deux bains étaient reliés par un contact ponctuel : un lien faible entre deux qubits, un de chaque bain.

L’idée des théoriciens était d’utiliser les concepts de la thermalisation quantique pour expliquer ce transport quantique. Ils ont considéré les deux bains comme un système composite qui, au fil du temps, se thermaliserait. Ils ont prédit qu’au cours de ce long processus, un transport régulier se produirait.

Xiansong déclare : « Je pense qu’il devrait exister une image unifiée de la dynamique de thermalisation et de la dynamique stable hors équilibre. Mais la dérivation théorique et les vérifications numériques ne sont pas simples ».

Observer le transport

Pour le groupe expérimental, la proposition théorique semblait simple à mettre en œuvre. Comme ils ont un bon contrôle individuel sur chaque qubit de leurs processeurs quantiques, ils peuvent mettre en place différents bains et donc concevoir différents types de transport. Les expériences précédentes sur le transport quantique n’offraient pas autant de polyvalence ou de possibilités de réglage.

Les chercheurs ont étudié comment les différences dans les états initiaux du bain et le nombre de qubits affectaient l’échelle et la stabilité du courant.

Les états initiaux du bain pouvaient différer en ce qui concerne exactement les qubits de la configuration moitié-moitié qui étaient en spin-up et ceux qui étaient en spin-down. Les chercheurs ont préparé 60 états initiaux distincts choisis au hasard pour des systèmes de 14, 17 et 31 qubits, puis ont mesuré le courant après 200 nanosecondes. La distribution a montré que le courant converge vers la même valeur au fur et à mesure que la taille du système augmente.

« C’est ce que l’on appelle parfois la ‘typicité’ », indique Dario. « Tout ce qui compte, c’est la polarisation moyenne du spin, une quantité macroscopique, et non les détails des qubits individuels ou la manière dont ils sont préparés. »

Les chercheurs ont également évalué la régularité du courant en mesurant les fluctuations temporelles, qui se manifestent par des allers-retours du spin entre les bains. Pour ce faire, ils ont effectué 60 000 mesures à des intervalles de cinq nanosecondes entre 100 et 1 000 nanosecondes. Ils ont observé que les fluctuations devenaient nettement moins importantes que le signal principal à mesure que la taille du système augmentait, manifestant ainsi l’émergence de la physique macroscopique attendue.

« Il a été difficile d’affiner les paramètres de contrôle et de mesurer avec précision la minuscule fluctuation temporelle du courant des particules pour un système de grande taille, mais nous avons surmonté cette difficulté en mettant au point un protocole d’étalonnage et une méthode d’atténuation des erreurs. » a conclu Pengfei Zhang.

Les chercheurs espèrent s’appuyer sur ces résultats et poursuivre leur collaboration afin d’explorer des scénarios de transport plus riches.

Légende illustration : Fabriqué au centre de micro-nano-fabrication de l’université de Zhejiang, le processeur quantique supraconducteur de 31 qubits utilisé dans l’expérience permet aux chercheurs de concevoir différents types de transport et de contrôler les qubits individuels. Crédit : Nature Communications 15, 10115 (2024)

Article : « Emergence of steady quantum transport in a superconducting processor » – Journal: Nature Communications – DOI: 10.1038/s41467-024-54332-9

Source : Singapore University of Technology and Design – Traduction Enerzine.com