Un nouveau réfrigérateur quantique tire parti du bruit problématique

Pour fonctionner, les ordinateurs quantiques doivent être maintenus à des températures extrêmement basses. Cependant, les systèmes de refroidissement actuels génèrent également du bruit qui interfère avec les fragiles informations quantiques qu’ils sont censés protéger. Des chercheurs de l’Université de technologie de Chalmers en Suède ont maintenant développé un tout nouveau type de « réfrigérateur » quantique minimal, qui est en partie alimenté par le bruit lui-même. Ce réfrigérateur permet un contrôle très précis des flux de chaleur et d’énergie et pourrait jouer un rôle important dans la mise à l’échelle de la technologie quantique.

La technologie quantique devrait transformer de nombreuses technologies fondamentales de notre société, avec des applications allant du développement de médicaments et de l’intelligence artificielle à la logistique et aux communications sécurisées. Pourtant, avant que la technologie quantique puisse être utilisée de manière pratique, divers défis techniques majeurs subsistent. L’un des plus critiques est la protection et le contrôle des états quantiques délicats sur lesquels cette technologie repose.

Pour qu’un ordinateur quantique basé sur des circuits supraconducteurs fonctionne, il doit être refroidi à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu (environ -273 °C). À ces températures, le système devient supraconducteur et les électrons peuvent se déplacer librement sans résistance. Ce n’est que dans ces conditions que les états quantiques souhaités peuvent émerger dans les unités d’information fondamentales d’un ordinateur quantique, les qubits. Mais ces états quantiques sont fragiles. La moindre fluctuation de température, perturbation électromagnétique ou bruit ambiant peut rapidement détruire toute information stockée dans le système.

Pour utiliser les ordinateurs quantiques afin de résoudre des problèmes réels, ils doivent être mis à l’échelle. Mais à mesure que les systèmes quantiques deviennent plus grands et plus complexes, il devient de plus en plus difficile d’empêcher la chaleur et le bruit de se propager et de détruire les états quantiques.

« De nombreux dispositifs quantiques sont finalement limités par la façon dont l’énergie est transportée et dissipée. Comprendre ces voies et être capable de les mesurer nous permet de concevoir des dispositifs quantiques dans lesquels les flux de chaleur sont prévisibles, contrôlables et même utiles », explique Simon Sundelin, doctorant en technologie quantique à l’Université de technologie de Chalmers et auteur principal de l’étude.

Utiliser le bruit pour refroidir

Dans une étude publiée dans Nature Communications, les chercheurs de Chalmers ont développé un tout nouveau type de réfrigérateur quantique qui, paradoxalement, utilise le bruit lui-même comme force motrice pour le refroidissement, plutôt que de tenter de l’éliminer.

« Les physiciens ont longtemps spéculé sur un phénomène appelé réfrigération brownienne ; l’idée que les fluctuations thermiques aléatoires pourraient être exploitées pour produire un effet de refroidissement. Notre travail représente la réalisation la plus proche de ce concept à ce jour », déclare Simone Gasparinetti, professeur associé à Chalmers et auteur principal de l’étude.

Au cœur du réfrigérateur se trouve une molécule artificielle supraconductrice, conçue dans le laboratoire de nanofabrication de Chalmers. À bien des égards, elle se comporte comme une molécule naturelle, mais au lieu de se composer d’atomes réels, elle est constituée de minuscules circuits électriques supraconducteurs. En couplant cette molécule artificielle à différents canaux micro-ondes et en introduisant un bruit micro-ondes contrôlé sous la forme de fluctuations aléatoires du signal sur une bande de fréquence étroite, les chercheurs peuvent diriger et réguler avec précision la façon dont la chaleur et l’énergie circulent dans le système.

« Les deux canaux micro-ondes servent de réservoirs chaud et froid, mais le point clé est qu’ils ne sont efficacement connectés que lorsque nous injectons un bruit contrôlé par un troisième port. Ce bruit injecté permet et entraîne le transport de chaleur entre les réservoirs via la molécule artificielle. Nous avons pu mesurer des courants de chaleur extrêmement faibles, jusqu’à des puissances de l’ordre de l’attowatt, soit 10^-18 watt. Si un si petit flux de chaleur était utilisé pour réchauffer une goutte d’eau, il faudrait l’âge de l’univers pour voir sa température augmenter d’un degré Celsius », explique Sundelin.

Nouvelles opportunités pour la technologie quantique future

En ajustant les températures des réservoirs et en mesurant des flux de chaleur extrêmement faibles, le réfrigérateur des chercheurs peut fonctionner dans plusieurs modes différents – en tant que réfrigérateur, moteur thermique ou amplificateur de transport thermique. La capacité à contrôler et à diriger l’énergie avec une telle précision est particulièrement importante dans les systèmes quantiques plus grands, où la chaleur est générée localement lors du contrôle et de la mesure des qubits.

« Nous voyons cela comme une étape importante vers le contrôle de la chaleur directement à l’intérieur des circuits quantiques, à une échelle que les systèmes de refroidissement conventionnels ne peuvent pas atteindre. Être capable d’éliminer ou de rediriger la chaleur à cette échelle minuscule ouvre la porte à des technologies quantiques plus fiables et robustes », déclare Aamir Ali, chercheur en technologie quantique à Chalmers et co-auteur de l’étude.

Article : Quantum refrigeration powered by noise in a superconducting circuit – Journal : Nature Communications – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude