Towards quantum error correction with two-body gates for quantum registers based on nitrogen-vacancy centers in diamond

Dans la quête de la construction d'une machine capable de résoudre des problèmes hors de portée des supercalculateurs actuels, les scientifiques se tournent vers les plus petits blocs de construction de la nature : les atomes individuels et les particules qui les composent. Ces systèmes minuscules, connus sous le nom de qubits, peuvent exister dans plusieurs états à la fois, offrant un bond potentiel en puissance de calcul. Cependant, ces états fragiles sont facilement perturbés par la moindre touche de chaleur ou de vibration provenant de leur environnement, provoquant la disparition des informations qu'ils contiennent avant qu'un calcul puisse être terminé. Pour surmonter cela, les chercheurs exploreent un type spécifique de défaut trouvé dans les diamants, où un atome de carbone manquant est remplacé par un atome d'azote. Ce « centre azote-lacune » agit comme une ancre stable pour l'information quantique, entouré d'atomes de carbone voisins qui possèdent leurs propres spins magnétiques. Ces spins environnants peuvent servir d'unités de stockage supplémentaires, créant un petit registre quantique. Le défi consiste à connecter ces unités sans perturber l'information délicate qu'elles détiennent, ce qui nécessite une méthode pour effectuer des opérations précises, suffisamment rapides pour finir avant que l'environnement ne détruise les données, mais assez douces pour éviter d'introduire de nouvelles erreurs.

Une équipe de chercheurs de l'Université d'Ulm a développé une nouvelle façon de gérer cet équilibre délicat, créant une méthode pour établir des connexions de haute qualité entre le défaut de diamant central et ses atomes de carbone voisins. Dans leurs travaux, ils se sont concentrés sur un type spécifique d'opération appelé porte à deux corps, qui permet au spin électronique central d'interagir avec un spin nucléaire ciblé tout en ignorant les autres à proximité. La difficulté de cette tâche réside dans le fait que les atomes de carbone dans le diamant sont si proches les uns des autres que leurs signatures magnétiques se chevauchent, ce qui rend difficile l'isolement d'un seul atome pour travailler avec lui. Les méthodes traditionnelles pour isoler un seul atome nécessitent de longues séquences d'impulsions de contrôle, mais plus la séquence est longue, plus le système est susceptible de perdre son état quantique à cause du bruit environnemental. Les chercheurs ont trouvé un moyen de raccourcir ces séquences sans sacrifier la précision en utilisant une technique appelée découplage dynamique adaptatif. Cette approche consiste à ajuster soigneusement le minutage et l'espacement des impulsions micro-ondes pour façonner l'interaction, filtrant efficacement les signaux indésirables et affinant la focalisation sur l'atome spécifique qu'ils souhaitent contrôler.

L'équipe a démontré qu'en ajustant ces séquences d'impulsions, ils pouvaient trouver un « point idéal » dans le temps où l'opération est à la fois rapide et hautement précise. Ils ont montré qu'il est possible d'atteindre un niveau de précision tel que la probabilité d'une erreur est inférieure à une sur mille, un seuil nécessaire pour un calcul quantique fiable. Cela a été réalisé en exploitant le fait que certaines erreurs du système s'annulent naturellement à des moments spécifiques. En choisissant le moment exact pour arrêter l'opération, les chercheurs pouvaient éliminer ces erreurs sans avoir besoin de faire durer la séquence de manière excessive. Cette méthode leur permet de contourner le compromis habituel où des opérations plus rapides sont moins précises, offrant ainsi un moyen d'exécuter les étapes nécessaires au calcul quantique avec une vitesse qui préserve le système de la décohérence.

Pour prouver que ces portes optimisées sont utiles pour des applications réelles, les chercheurs les ont utilisées pour construire un système de base de correction d'erreurs. Dans cette configuration, le défaut de diamant central et deux spins de carbone voisins ont été disposés pour protéger une pièce unique d'information quantique d'un type spécifique de corruption appelée erreur de phase. Ce type d'erreur est comparable à un décalage subtil dans le minutage d'une horloge qui ferait dériver l'information de sa trajectoire. L'équipe a créé un protocole où l'information est encodée à travers les trois spins, permettant au système de détecter si un décalage s'est produit et de le corriger automatiquement. Leurs simulations ont montré que même avec les imperfections inhérentes aux signaux de contrôle du monde réel, ce système pouvait récupérer l'information originale plus de 98,5 % du temps, même lorsque le taux d'erreur était relativement élevé. Ce résultat restait vrai même en tenant compte de la relaxation naturelle du spin électronique, un processus par lequel le système perd lentement son énergie vers son environnement, ce qui peut se produire même à des températures aussi élevées que 77 Kelvin.

La portée de ce travail dépasse le succès immédiat du code de correction d'erreurs. Les chercheurs ont fourni un outil analytique clair qui permet aux scientifiques de déterminer le minutage optimal de ces opérations sans avoir besoin de mener d'innombrables expériences chronophages pour tester chaque possibilité. Ceci est crucial à mesure que les systèmes quantiques s'agrandissent, car tester manuellement chaque paramètre pour un système comprenant de nombreux atomes serait impossible. En utilisant leur méthode pour prédire les meilleurs paramètres de séquence, les chercheurs peuvent concevoir des registres quantiques plus grands et plus complexes avec confiance. L'article note également que, bien que leur approche actuelle utilise des modèles d'impulsions fixes, les améliorations futures pourraient impliquer une variation fluide de la force de l'interaction au fil du temps, ce qui pourrait offrir des performances encore meilleures dans des environnements encombrés où de nombreux atomes sont étroitement compactés. En fin de compte, ce travail offre une voie pratique pour construire des ordinateurs quantiques robustes basés sur les défauts de diamant, transformant une possibilité théorique en une réalité d'ingénierie tangible.