Operation of a high-frequency, phase-slip qubit

Cet article démontre le fonctionnement, la lecture et le contrôle cohérent réussis d'un qubit supraconducteur à haute fréquence (~17 GHz) basé sur une jonction à saut de phase en nitrure de titane, atteignant des durées de vie supérieures à 60 μs et un fonctionnement à des températures au-dessus de 300 mK, établissant ainsi les jonctions à saut de phase comme un outil viable pour le traitement avancé de l'information quantique.

L'essentiel

Imaginez que vous essayiez de construire un ordinateur minuscule et super rapide qui utilise les lois de la physique quantique au lieu de l'électricité. Pour faire fonctionner cet ordinateur, vous avez besoin d'un « interrupteur » spécial capable de se comporter de manière non linéaire et étrange. Pendant des décennies, les scientifiques ont utilisé un type d'interrupteur spécifique appelé Jonction Josephson (fabriqué en aluminium) pour faire cela. C'est comme une porte très spéciale qui ne laisse passer certains particules quantiques que d'une manière bien précise.

Ce document présente un tout nouvel interrupteur appelé Jonction à Saut de Phase (Phase-Slip Junction). Considérez cela comme le « jumeau » ou l'« image miroir » de l'ancien interrupteur. Alors que l'ancien interrupteur agit comme un ressort spécial (un inducteur), ce nouvel interrupteur agit comme un condensateur spécial (un seau qui retient la charge).

Voici ce que les chercheurs ont accompli avec ce nouvel interrupteur, expliqué simplement :

1. Le nouvel interrupteur : Un goulot d'étranglement minuscule

Pour fabriquer ce nouvel interrupteur, l'équipe n'a pas utilisé l'aluminium habituel. À la place, ils ont utilisé un film mince de Nitrure de Titane (TiN). Ils ont sculpté un « goulot d'étranglement » microscopique dans ce film, large d'environ 18 nanomètres seulement (c'est plus fin qu'un brin d'ADN).

• L'analogie : Imaginez une rivière (l'électricité) coulant à travers un tuyau. Les anciens interrupteurs sont comme une valve qui contrôle le débit. Ce nouvel interrupciateur est comme une minuscule fissure étroite dans le tuyau. Parce que la fissure est si petite, l'eau (les particules quantiques) « glisse » parfois à travers elle de manière quantique, créant un effet unique appelé « saut de phase ».

2. Construire un « Qubit » (le bit informatique)

Ils ont utilisé ce nouvel interrupteur pour construire un qubit, qui est l'unité de base de l'information dans un ordinateur quantique.

• Comment ça marche : Ils ont connecté cet interrupteur à une boucle de fil. Dans cette boucle, des « morceaux » magnétiques (quanta de flux) peuvent traverser la minuscule fissure. Cela crée un état où le qubit est un mélange de différents états magnétiques, semblable à une pièce de monnaie qui tourne en l'air, étant à la fois pile et face en même temps.
• Le point idéal : Ils ont réglé le système pour qu'il fonctionne à « flux nul » (sans interférence magnétique extérieure). À ce point, la vitesse du qubit est principalement déterminée par la taille de la boucle, ce qui est facile à contrôler, plutôt que par les détails minuscules et complexes de la fissure elle-même.

3. Ce qu'ils ont fait (Les expériences)

L'équipe a prouvé que ce nouveau qubit fonctionne réellement en faisant trois choses principales :

• Le lire : Ils pouvaient vérifier si le qubit était dans l'état « fondamental » ou l'état « excité » avec une précision de 96 %. C'est comme être capable de dire si une pièce qui tourne est tombée sur pile ou sur face.
• Le contrôler : Ils ont pu faire basculer le qubit d'un état à l'autre (oscillations de Rabi) en l' frappant avec des impulsions micro-ondes. Ils ont prouvé qu'il se comporte comme un système à deux états propre, sans fuir vers des états indésirables.
• Le chronométrer : Ils ont mesuré combien de temps le qubit reste dans son état avant de perdre son information. Ils ont découvert qu'il pouvait maintenir son état pendant plus de 60 microsecondes (ce qui est une longue durée dans le monde quantique).

4. Le superpouvoir : Fonctionner plus chaudement

La plus grande surprise et l'avantage de cette nouvelle conception est qu'elle peut fonctionner à des températures plus élevées.

• L'ancienne méthode : La plupart des ordinateurs quantiques utilisant l'aluminium doivent être refroidis près du zéro absolu (environ -273 °C ou 10 millikelvin) car l'aluminium « fond » (perd ses propriétés supraconductrices) s'il devient trop chaud.
• La nouvelle méthode : Parce qu'ils ont utilisé du Nitrure de Titane, qui possède un « point de fusion » plus élevé pour la supraconductivité, ils ont pu faire fonctionner le qubit à des températures supérieures à 300 millikelvin (environ -272,8 °C).
• Le résultat : Même à cette température « chaude », le qubit fonctionnait toujours bien, conservant sa mémoire pendant plus de 10 microsecondes. C'est comme pouvoir faire fonctionner une sculpture de glace délicate dans une pièce légèrement plus chaude sans qu'elle ne fonde immédiatement.

5. Pourquoi cela importe (Selon l'article)

Les auteurs affirment que c'est une étape majeure en avant car :

• Cela ajoute un nouvel outil à la boîte à outils quantique. Au lieu d'avoir seulement un type d'interrupteur (la Jonction Josephson), les scientifiques disposent maintenant d'un second type (la Jonction à Saut de Phase) qui se comporte différemment.
• Cela ouvre la porte à de nouveaux types d'ordinateurs quantiques qui pourraient être mieux protégés contre le bruit ou pourraient fonctionner à des fréquences plus élevées.
• Cela suggère qu'à l'avenir, nous pourrions être capables de construire des ordinateurs quantiques qui ne nécessitent pas les systèmes de refroidissement les plus extrêmes et les plus coûteux, car ils peuvent supporter des environnements légèrement plus chauds.

En résumé :
Les chercheurs ont construit un nouveau type de bit quantique en utilisant une fissure microscopique dans un film de Nitrure de Titane. Ils ont prouvé qu'il fonctionne, qu'il peut être contrôlé et qu'il peut survivre à des températures plus chaudes que les ordinateurs quantiques traditionnels, offrant une nouvelle voie prometteuse pour construire de meilleures machines quantiques.

Résumé technique

Résumé technique : Fonctionnement d'un qubit à saut de phase à haute fréquence

Énoncé du problème
Le traitement de l'information quantique supraconductrice repose actuellement fortement sur les jonctions Josephson (JJ) à base d'aluminium comme principale source de non-linéarité. Le dual d'une JJ, la jonction à saut de phase (PSJ), agit comme un condensateur non linéaire et offre une voie vers de nouvelles classes de qubits protégés, une exploitation à haute fréquence et un fonctionnement à des températures plus élevées en utilisant des supraconducteurs possédant des gaps d'énergie plus larges. Cependant, la mise en œuvre pratique des qubits basés sur les PSJ a été sévèrement limitée par les défis de fabrication et la difficulté de contrôler les paramètres des jonctions. Les tentatives précédentes ont abouti à des dispositifs dont les fréquences de qubit ne pouvaient pas être déterminées de manière fiable par la conception, et dont les temps de cohérence n'étaient que déduits indirectement. De plus, les implémentations de PSJ existantes ont souvent fonctionné à demi-quantum de flux, un point d'extrême sensibilité aux variations géométriques, ou ont souffert d'une faible cohérence.

Méthodologie
Les auteurs démontrent le fonctionnement d'un qubit supraconducteur basé sur une jonction à saut de phase unique fabriquée à partir d'un film mince (5 nm) de nitrure de titane (TiN). Le dispositif consiste en une superinductance (largeur de 150 nm) en parallèle avec une PSJ (une constriction de 18 nm de large, plus étroite que la longueur de cohérence du TiN), formant une boucle supraconductrice. Le dispositif est couplé inductivement à un résonateur de lecture pour une mesure dispersive utilisant les techniques standards de l'électrodynamique quantique de circuit (circuit QED).

Le qubit est biaisé à flux magnétique externe nul ($\Phi_{ext} = 0$). Ce point de fonctionnement est choisi car la fréquence du qubit est principalement déterminée par l'énergie inductive ($E_L$) plutôt que par le taux de saut de phase ($E_{s,i}$), ce qui rend le dispositif robuste face aux variations géométriques de la constriction. Le système est modélisé à l'aide d'un hamiltonien dans la base des fluxons, prenant en compte les événements de tunnel de quanta de flux simples et doubles.

La caractérisation expérimentale comprend :

• La spectroscopie à deux tons pour identifier les fréquences de transition et ajuster les paramètres de l'hamiltonien.
• La lecture à coup unique (single-shot) pour distinguer les états fondamental et excité.
• Le contrôle cohérent via des oscillations de Rabi pour vérifier le comportement de système à deux niveaux.
• Des mesures dans le domaine temporel (relaxation $T_1$, Ramsey $T_{2R}$, et écho de Hahn $T_{2E}$) pour caractériser la cohérence et identifier les sources de bruit.
• Des études dépendantes de la température jusqu'à 385 mK pour évaluer les avantages du gap d'énergie plus large du TiN.

Résultats clés

• Fonctionnement du dispositif : L'équipe a réussi à faire fonctionner un qubit à saut de phase à flux nul avec une fréquence de transition d'environ 17 GHz. Les données spectroscopiques se sont bien ajustées à l'hamiltonien théorique, produisant une énergie inductive $E_L = 34,4$ GHz, un taux de saut de phase simple $E_{s,1} = 1,03$ GHz et un taux de saut de phase double $E_{s,2} = 0,05$ GHz.
• Contrôle cohérent : Les auteurs ont démontré une lecture à coup unique de haute fidélité (fidélité d'assignation de 96 %) et une manipulation cohérente via des oscillations de Rabi. Le système s'est comporté comme un système à deux niveaux bien contrôlé, sans fuite observée vers le deuxième état excité ($|f\rangle$).
• Temps de cohérence : Le qubit a présenté des temps de relaxation ($T_1$) dépassant 60 $\mu$s à flux nul, représentant une amélioration significative par rapport aux mesures précédentes de PSJ. Cependant, les temps de cohérence étaient limités, avec des temps de Ramsey ($T_{2R}$) d'environ 17 ns. Les auteurs attribuent ce court $T_{2R}$ à un fort déphasage, probablement causé par le bruit de flux et le bruit d'Aharonov-Casher (AC) provenant des fluctuations de charge le long du fil.
• Fonctionnement à haute température : En tirant parti du gap d'énergie plus élevé du TiN (température de transition $T_c \approx 2,9$ K), le qubit a été utilisé à des températures dépassant 300 mK. Bien que le $T_1$ ait commencé à se dégrader significativement au-dessus de 240 mK (attribué à l'augmentation de la densité de quasi-particules et à la perte inductive), le qubit est resté fonctionnel avec un $T_1 > 10$ $\mu$s et un $T_{2R}$ stable à des températures où les qubits à base d'aluminium échouent typiquement.

Signification et revendications
L'article affirme que la jonction à saut de phase est une source alternative viable de non-linéarité pour les dispositifs quantiques supraconducteurs. En démontrant un qubit fonctionnel avec un $T_1$ comparable aux qubits standards basés sur les jonctions Josephson, ce travail valide la PSJ comme un outil pour le traitement de l'information quantique.

Les auteurs soulignent trois avantages spécifiques de cette approche :

1. Capacité non linéaire : La PSJ fournit un condensateur non linéaire, permettant de nouveaux designs d'oscillateurs et des architectures de qubits potentiellement protégées contre le bruit lorsqu'elles sont combinées avec une jonction Josephson.
2. Flexibilité des matériaux : L'utilisation d'un film unique de TiN permet la construction de l'ensemble du dispositif qubit-résonateur, offrant potentiellement des facteurs de qualité plus élevés que l'aluminium évaporé.
3. Potentiel de haute température : Le succès du fonctionnement au-dessus de 300 mK démontre une voie pour réduire les exigences de refroidissement des processeurs quantiques supraconducteurs, permettant potentiellement un fonctionnement à des températures nettement plus élevées que celles atteignables par les systèmes à base d'aluminium.

Les auteurs concluent modestement que, bien que les temps de relaxation soient compétitifs, les temps de cohérence sont actuellement courts. Ils suggèrent qu'une amélioration du traitement des dispositifs (méthodes de nettoyage) et des optimisations géométriques pour réduire la sensibilité aux fluctuations de charge sont nécessaires pour élucider les mécanismes de décohérence et faire de la PSJ une plateforme compétitive pour le traitement de l'information quantique à grande échelle.