First Measurement of Correlated Charge Noise in Superconducting Qubits at an Underground Facility

L'essentiel

La vue d'ensemble : Écouter le « statique » d'un ordinateur quantique

Imaginez que vous possédez un instrument de musique très délicat et de haute technologie (un qubit supraconducteur) qui est censé jouer une note parfaite et constante. Cet instrument est si sensible que si un seul grain de poussière se pose dessus, ou si une légère brise le frappe, la note change instantanément de hauteur.

Les scientifiques veulent construire un « ordinateur quantique » en utilisant de nombreux de ces instruments jouant ensemble. Mais ils ont un problème : le bruit. Plus précisément, des particules invisibles venues de l'espace (rayons cosmiques) et le rayonnement naturel ambiant (rayons gamma) frappent constamment l'instrument, provoquant un « saut » ou un bug. Ces bugs sont appelés sauts de charge.

Cet article traite d'une équipe de scientifiques qui a emmené son instrument délicat profondément sous terre pour voir s'ils pouvaient calmer le bruit suffisamment pour entendre la musique clairement.

L'expérience : Aller profondément sous terre

1. Le lieu (Le bunker profond)
Les scientifiques ont déplacé leur expérience d'un laboratoire en surface vers une installation appelée NEXUS, située à 107 mètres (environ 35 étages) sous terre, à l'intérieur d'un tunnel rocheux au Fermilab.

• L'analogie : Considérez la surface de la Terre comme une autoroute très fréquentée où les voitures (rayons cosmiques) défilent constamment. L'installation souterraine est comme un bunker profond. L'épaisse couche de roche au-dessus agit comme un bouclier massif, bloquant plus de 99 % des « voitures » qui tentent d'entrer.

2. Le bouclier (La couverture de plomb)
Même sous terre, certaines radiations passent. Pour tester cela plus avant, l'équipe a construit une « couverture » mobile faite de plomb épais autour de leur expérience.

• L'analogie : Imaginez porter un imperméable lourd, doublé de plomb. Quand le manteau est mis (Bouclier Fermé), vous êtes protégé de la pluie (rayons gamma). Quand vous l'enlevez (Bouclier Ouvert), vous êtes mouillé. Les scientifiques voulaient voir quelle quantité de « pluie » frappait réellement leur instrument dans les deux scénarios.

3. La mesure (Les sauts de charge)
Les qubits de cette expérience sont conçus pour être des « électromètres » — ils sont comme de petites balances capables de peser la charge électrique. Lorsqu'une particule frale la puce, elle crée une minuscule décharge électrique, provoissant un petit « saut » de la « balance ».

• L'analogie : Imaginez un trampoline. Si quelqu'un saute dessus, il rebondit. Si une petite mouche se pose dessus, il bouge à peine. Les scientifiques surveillaient les « rebonds » (sauts de charge) sur leur trampoline quantique. Ils cherchaient spécifiquement des sauts corrélés — des moments où deux trampolines différents ont bondi exactement au même moment. C'est une mauvaise chose pour les ordinateurs quantiques car cela signifie qu'un seul rayon cosmique a frappé les deux, provoquant une double erreur.

Ce qu'ils ont trouvé

1. La « pluie » est devenue plus légère, mais pas autant que prévu
Lorsqu'ils ont fermé le bouclier de plomb, le nombre de sauts de charge a diminué.

• Le résultat : Les sauts ont diminué d'un facteur d'environ 2,7.
• La surprise : Les scientifiques ont mesuré le rayonnement frappant le bouclier et ont constaté que la « pluie » (rayons gamma) avait en fait diminué d'un facteur de 20.
• La métaphore : C'est comme mettre un imperméable qui bloque 95 % de la pluie, mais vous ne vous sentez que 30 % moins mouillé. Cela a indiqué aux scientifiques que bien que le bouclier ait bloqué la pluie extérieure, il y avait encore une « fuite » quelque part ailleurs. Il existe une source de bruit excédentaire provenant de l'intérieur même de la machine (peut-être des matériaux à l'intérieur du réfrigérateur ou des charges piégées dans la puce) que le bouclier de plomb ne pouvait pas arrêter.

2. La zone « silencieuse » (Pas de sauts corrélés)
La découverte la plus excitante s'est produite lorsqu'ils ont regardé la distance entre les qubits.

• La configuration : Ils avaient quatre qubits. Deux étaient très proches l'un de l'autre (comme des voisins), et deux étaient éloignés (comme des voisins vivant de chaque côté d'une rue).
• Le résultat : Lorsque le bouclier était fermé, les scientifiques ont mené l'expérience pendant 22 heures consécutives. Pendant toute cette durée, les deux qubits qui étaient éloignés (plus de 3 millimètres) n'ont jamais sauté en même temps.
• La métaphore : Imaginez deux personnes debout à 3 mètres de distance. Si un seul rocher géant tombe du ciel, il pourrait frapper les deux. Mais dans cette expérience, pendant une journée entière, aucun « rocher » n'était assez gros pour frapper les deux qubits distants à la fois. Ils ont atteint une « zone silencieuse » où les erreurs ne se propagent pas entre les parties distantes de l'ordinateur.

La conclusion

L'article affirme trois points principaux :

1. L'aspect souterrain aide : Déplacer l'expérience sous terre a considérablement réduit le nombre d'erreurs causées par les rayons cosmiques.
2. Il y a un mystère : Même profondément sous terre avec un bouclier de plomb, il y a encore plus de bruit que prévu. Cela ne vient pas seulement de l'extérieur ; quelque chose à l'intérieur de l'équipement provoque encore du « statique ».
3. La distance compte : Pour la première fois, ils ont prouvé que si l'on espace suffisamment les bits quantiques (plus de 3 mm) et qu'on les protège bien, on peut stopper les « erreurs corrélées » (où une erreur en entraîne d'autres en chaîne) pendant de longues périodes.

Ce qu'ils n'ont PAS affirmé :
L'article ne dit pas qu'ils ont construit un ordinateur quantique fonctionnel capable de résoudre des problèmes pour l'instant. Il ne prétend pas que cela règle toutes les erreurs pour toujours. Il rapporte strictement la mesure du « statique » et prouve qu'en étant profondément sous terre, avec un blindage, le « statique » peut être réduit à un niveau où les qubits distants ne perturbent pas les uns les autres.

Résumé technique

Résumé technique : Première mesure du bruit de charge corrélé dans des qubits supraconducteurs au sein d'une installation souterraine

Énoncé du problème
Le rayonnement ionisant est de plus en plus reconnu comme une source significative de décohérence et d'erreurs corrélées dans les qubits supraconducteurs. Des études antérieures ont établi une corrélation entre le flux de rayonnement ionisant (spécifiquement les rayons cosmiques et les gammas environnementaux) et les taux de relaxation d'énergie des qubits ($1/T_1$), ainsi que les erreurs simultanées sur plusieurs qubits. Ces erreurs corrélées posent un défi à l'efficacité des codes de surface de correction d'erreurs quantiques. Alors que les laboratoires en surface sont soumis à des flux élevés de muons cosmiques et de rayonnements gamma ambiants, la contribution spécifique de ces sources au bruit de charge dans le substrat du qubit, ainsi que la capacité à les atténuer, nécessite une isolation par rapport aux bruits de surface. De plus, les mécanismes par lesquels les événements ionisants induisent des sauts de charge dans le substrat (via la production de paires électron-trou, la diffusion de phonons et le piégeage de charges) opèrent sur des échelles de temps allant de la nanoseconde à plusieurs jours, nécessitant une surveillance de longue durée pour caractériser pleinement l'environnement de bruit.

Méthodologie
Les auteurs ont effectué des mesures sur un dispositif transmon à quatre qubits faiblement sensibles à la charge (avec $E_J/E_C = 24$), déplacé d'un laboratoire de surface à Madison, WI, vers le site expérimental souterrain NEXUS de Fermilab, situé à 107 mètres sous terre. Cette profondeur offre une couverture de roche équivalente à 225 mètres d'eau, réduisant le flux de muons cosmiques de plus de 99 % par rapport au niveau de la mer.

Le dispositif expérimental comprenait :

• Blindage : Un blindage en plomb modulaire offrant une couverture $4\pi$ autour de la charge utile cryogénique pour atténuer le rayonnement gamma environnemental.
• Cryogénie : Le dispositif fonctionnait dans un réfrigérateur à dilution à une température de base de 10,5 mK au sein d'un environnement de salle blanche afin de minimiser la contamination particulaire.
• Surveillance du rayonnement : Un cristal de $Li_2MoO_4$ (LMO) instrumenté avec un capteur de transition thermique (TES) a été placé à 18,7 cm de la puce du qubit, au sein du même cryostat, pour mesurer indépendamment le flux et le spectre gamma.
• Protocole de mesure : L'équipe a employé des séquences de tomographie de Ramsey ($X/2 - \text{Idle} - X/2$) pour cartographier l'offset de charge ($n_g$) sur les îlots des qubits par rapport à la probabilité de l'état excité ($P_1$). En balayant la polarisation de charge et en analysant l'évolution de la phase, les chercheurs ont détecté des sauts discontinus de la charge induite.
• Analyse des données : Un algorithme de minimisation $\chi^2$ glissant a été utilisé pour ajuster les scans de tomographie par rapport à un modèle dérivé de scans sans saut. Cette méthode a permis d'identifier des sauts de charge avec des amplitudes de $0,1e \le |\Delta q| \le 0,5e$. L'efficacité de cette méthode de détection a été validée par simulation à plus de 70 %.

Deux ensembles de données principaux ont été collectés :

1. Bouclier Ouvert (SO - Shield Open) : Conditions de flux gamma ambiant.
2. Bouclier Fermé (SC - Shield Closed) : Conditions de flux gamma minimal (blindage de plomb fermé).

Résultats clés

• Taux de sauts de charge : Le taux moyen de saut de charge pour les quatre qubits a été mesuré à $0,51^{+0,05}_{-0,04}$ mHz dans la configuration Bouclier Ouvert et a été réduit à $0,19^{+0,04}_{-0,03}$ mHz dans la configuration Bouclier Fermé.
• Corrélation avec le flux Gamma : Le détecteur LMO a mesuré un facteur de réduction du flux gamma de $20 \pm 1$ (pour des énergies $>150$ keV) lorsque le blindage était fermé. Cependant, le taux de saut de charge n'a diminué que d'un facteur 2,7. Cette divergence indique que dans la configuration SC à faible bruit de fond, le taux de saut de charge n'est pas dominé par le flux gamma externe.
• Taux d'excès : En soustrayant le taux SC du taux SO (en tenant compte d'un fond d'excès constant), les auteurs ont calculé un taux de saut induit par les gamma de $0,34^{+0,07}_{-0,06}$ mHz et un taux d'excès de $0,17^{+0,04}_{-0,03}$ mHz présent dans les deux configurations. Cet excès est incompatible avec les taux de muons attendus ($\sim 0,08$ mHz/cm$^2$) et le flux gamma ambiant seul.
• Bruit corrélé : L'étude a mesuré des sauts de charge corrélés entre des paires de qubits. Pour des qubits séparés par des distances inférieures à 1 mm (340 $\mu$m et 640 $\mu$m), des sauts corrélés ont été observés. Cependant, pour des paires de qubits séparées par des distances supérieures à 3 mm (spécifiquement de 3,18 mm à 3,33 mm), l'équipe a observé zéro saut de charge corrélé sur 22 heures consécutives de fonctionnement continu dans la configuration Bouclier Fermé.
• Magnitude des sauts : Les sauts de charge détectés variaient de $0,1e$ à $0,5e$.

Signification et affirmations
L'article affirme présenter la première mesure du bruit de charge corrélé dans une puce de qubits sensibles à la charge opérée dans un environnement souterrain. La principale signification réside dans la démonstration que le déplacement vers une installation souterraine réduit considérablement le taux d'événements de sursauts de charge, bien que non aussi radicalement que la réduction du flux de muons seule, ce qui pointe vers d'autres sources de rayonnement ou des mécanismes internes.

Crucialement, les auteurs rapportent la première élimination du bruit de charge corrélé dans des qubits sensibles à la charge séparés par plus de 3 mm sur des échelles de temps approchant une journée. Cette découverte est significative pour l'informatique quantique tolérante aux fautes, car elle suggère que la séparation spatiale des qubits peut atténuer efficacement les erreurs corrélées induites par le rayonnement dans des environnements à faible bruit de fond. De plus, les résultats contribuent à la compréhension des qubits supraconducteurs en tant que détecteurs de particules pour la physique fondamentale, soulignant la nécessité de caractériser et d'atténuer les mécanismes spécifiques d'erreurs induites par le rayonnement. Les auteurs notent que l'origine de l'« excès » de sursauts de charge observé dans la configuration blindée reste une question ouverte, les candidats potentiels incluant la relaxation de charges piégées, des secondaires issus d'interactions cosmogéniques avec les matériaux du cryostat, ou des sources de rayonnement locales anormales.