Les résultats d'une étude sur un nouveau qubit supraconducteur, publiés dans la revue Nature Communications, montrent
Qubits supraconducteurs
Les modèles de calcul traditionnels reposent sursolutions physiques correspondant aux lois de la mécanique classique. C'est ainsi que fonctionnent la plupart des processeurs modernes, par exemple. L'informatique quantique utilise des phénomènes qui se produisent à l'échelle des atomes et des particules subatomiques pour communiquer et traiter des informations.
Il existe différents modèles d'informatique quantique,cependant, les plus populaires impliquent l'utilisation de qubits et de portes quantiques. Rappelons qu'un qubit est un système à deux états possibles, qui peuvent être dans l'un d'eux ou dans une superposition des deux. Une porte quantique est un élément de base d'un circuit numérique qui effectue une opération logique élémentaire. Il décrit comment l'état des qubits va changer, en tenant compte des valeurs initiales, après leur avoir appliqué une certaine loi.
Comme les effets quantiques n'apparaissent que dansÀ des échelles ultra-petites, créer des qubits et des portes est une tâche extrêmement difficile. Parmi les nombreuses approches pour construire des ordinateurs quantiques utiles, les qubits supraconducteurs ont gagné en popularité. Pour les créer, les ingénieurs utilisent des températures proches du zéro absolu, à partir desquelles des effets quantiques commencent à apparaître au niveau macro. Par exemple, c'est cette technologie qui est utilisée par les processeurs quantiques IBM récemment introduits contenant un record de 433 qubits.
couple cooper et transmon
Dans un supraconducteur, les porteurs de charge majoritairessont des paires de Cooper. Il s'agit d'un état lié de deux électrons interagissant par l'intermédiaire d'un phonon. Il a un spin nul et une charge égale à deux fois la charge d'un électron. Ce sont ces particules, agissant comme un tout, qui sont utilisées pour l'informatique quantique.
Le qubit de charge le plus simple, ou blocLes paires de Cooper sont un élément dont l'état détermine la présence ou l'absence de paires de Cooper en excès dans l'île. Un tel composant est formé d’un minuscule îlot supraconducteur relié par une jonction Josephson à un réservoir supraconducteur. Dans cette jonction, le courant critique est supprimé et un courant tunnel circule à travers une fine couche isolante ou non supraconductrice entre les deux supraconducteurs.
L'état du qubit dépend du nombreCooper paires qui ont traversé la connexion. L'effet tunnel est utilisé pour concevoir des oscillateurs anharmoniques quantiques qui agissent comme des qubits.
Schéma de principe d'un circuit de qubit de charge. L'îlot est formé par une électrode supraconductrice entre le condensateur de grille et la capacité de jonction. Image : ETH
Les qubits de charge sont créés en utilisanttechnologies similaires à celles utilisées en microélectronique. Les dispositifs sont généralement construits sur des tranches de silicium ou de saphir par lithographie par faisceau d'électrons et par évaporation d'un film métallique mince.
Dans ce cas, les jonctions Josephson sont formées avecen utilisant l'évaporation de l'ombre. Il s'agit d'un processus dans lequel le métal-mère s'évapore alternativement sous deux angles à travers un masque défini par lithographie dans une réserve à faisceau d'électrons. Il en résulte la formation de deux couches superposées de métal supraconducteur, entre lesquelles une fine couche d'isolant est déposée.
Bien que de tels qubits soient assez faciles à réaliser avecUtilisant une technologie mature utilisée dans les ordinateurs classiques, leurs inconvénients incluent une décohérence rapide (rupture de l'intrication) sous l'influence du bruit externe. Pour que les ordinateurs quantiques effectuent des calculs utiles, les informations qu’ils contiennent doivent être précises à près de 100 %. Le bruit de charge provoqué par l'imperfection de l'environnement matériel dans lequel se trouvent les qubits affecte négativement la précision des informations.
Un appareil IBM composé de quatre transmons. Image : Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
Pour augmenter la "durée de vie" de tels qubits, enEn 2007, des chercheurs de l'Université de Yale ont finalisé le système et créé le transmon. Il s'agit d'un bloc de paires Cooper, dans lequel les jonctions Josephson sont en outre shuntées avec un grand condensateur capacitif. La diminution de la sensibilité au bruit capacitif a entraîné une augmentation du temps de cohérence de 1 à 2 ns pour un bloc de paires de Cooper à près de 100 ns pour un transmon.
Unimon est un nouveau qubit supraconducteur
Illustration artistique d'un unimon dans un processeur quantique. Image : Alexander Kakinen, Université Aalto
Malgré des progrès significatifs dans le développementL’informatique quantique, les conceptions et méthodes de qubits actuellement utilisées n’offrent pas de performances suffisamment élevées pour une utilisation pratique généralisée. La complexité des calculs mis en œuvre est principalement limitée par les erreurs dans les éléments quantiques à un et deux qubits.
Pour résoudre ce problème, les chercheursdéveloppé un nouveau type de qubit supraconducteur. Ils combinent une anharmonicité accrue (déviation de l'énergie du système par rapport aux "fluctuations" harmoniques), une insensibilité totale au bruit continu, une sensibilité réduite au bruit magnétique et une structure simple.
L'appareil se compose d'un Josephsonune jonction shuntée par une inductance linéaire, et un condensateur fonctionnant dans un mode dans lequel l'énergie inductive est principalement compensée par l'énergie Josephson. Cette propriété se traduit par un niveau élevé d'anharmonicité avec une immunité totale au bruit de charge basse fréquence et une protection partielle contre le bruit de flux, notent les chercheurs.
Pour la démonstration expérimentale de l'unimon, les scientifiquespuces conçues et fabriquées, chacune composée de trois qubits unimon. Ils ont utilisé du niobium comme matériau supraconducteur, à l'exception des contacts Josephson, dans lesquels les conducteurs supraconducteurs étaient en aluminium.
La gauche:Image microscopique en fausse couleur d'une puce de silicium contenant trois unimons (bleu) ainsi que leurs cavités de lecture (rouge), les lignes d'entraînement (vert) et la ligne de connexion de la sonde (jaune). À droite : une configuration expérimentale simplifiée utilisée pour mesurer les unimons. Image : Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Avec leurs appareils, les scientifiques ont réaliséprécision de 99,8 % à 99,9 % pour des portes à un seul qubit de 13 ns sur trois qubits unimon différents. Les chercheurs notent qu'en raison de l'anharmonicité ou de la non-linéarité plus élevée que dans les transmons, les unimons peuvent être travaillés plus rapidement, ce qui entraîne moins d'erreurs par opération.
Les unimons sont très simples mais présentent de nombreux avantages.devant les transmons. Le fait que le tout premier unimon jamais créé ait si bien fonctionné ouvre beaucoup de possibilités d'optimisation et d'avancées majeures.
Mikko Mettonen, professeur de technologie quantique à l'Université Aalto
Les chercheurs continueront de travailler à l'amélioration dela conception, les matériaux et les temps de porte unimon pour dépasser l'objectif de précision de 99,99 % afin de créer un avantage quantique utile et une correction d'erreur efficace dans des dispositifs pratiques basés sur un grand nombre de qubits.
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