Enhancing dissipative cat qubit protection by squeezing

Construire un ordinateur capable de résoudre des problèmes hors de portée des machines actuelles nécessite un changement fondamental dans la manière dont nous stockons l'information. Dans le monde quantique, l'unité de base de la donnée est fragile ; elle est facilement perturbée par le moindre murmure de chaleur ou de bruit électromagnétique, provoquant l'effondrement du calcul. Pour construire une machine fiable, les scientifiques doivent trouver un moyen de protéger cette information sans utiliser de vastes armées de composants supplémentaires pour la contrôler et la corriger constamment. Une approche prometteuse consiste à encoder les données non pas dans une seule particule, mais dans le comportement collectif de particules de lumière, ou photons, piégés à l'intérieur d'un minuscule circuit électrique. Ces « qubits chats » tirent leur nom d'une célèbre expérience de pensée impliquant un chat qui est simultanément vivant et mort ; dans ce contexte, le qubit existe dans deux états distincts à la fois. Le génie de cette conception réside dans le fait qu'elle résiste naturellement à un type d'erreur, appelé inversion de bit (bit-flip), où l'état bascule accidentellement de l'un à l'autre. Cependant, elle reste vulnérable à un autre type d'erreur, l'inversion de phase (phase-flip), qui brouille la relation entre les deux états. Le défi a toujours été de renforcer la protection contre le premier type d'erreur sans aggraver le second, un équilibre qui a été difficile à atteindre.

Une équipe de chercheurs chez Alice & Bob, travaillant avec des partenaires de plusieurs institutions françaises, a trouvé un moyen de faire pencher cet équilibre nettement en leur faveur. Ils ont pris la conception standard de ces qubits à base de lumière et ont appliqué une déformation spécifique à la forme des états de lumière qu'ils utilisent. Imaginez les deux états d'un qubit standard comme deux nuages de probabilité distincts et arrondis flottant dans un espace mathématique. Dans la nouvelle conception, les chercheurs ont compressé ces nuages, les étirant en formes allongées qui ressemblent à des croissants de lune. Ce simple changement géométrique, réalisé en ajoutant un signal spécifique à leur équipement existant, a permis aux deux états d'être beaucoup plus éloignés les uns des autres d'une manière qui les rend incroyablement difficiles à confondre, tout en restant tout aussi stables face à l'autre type d'erreur.

Les résultats de cette expérience ont été frappants. Les chercheurs ont mesuré le temps qu'il fallait au qubit pour inverser accidentellement son état. Dans une version standard, non déformée de ce qubit, l'erreur se produisait environ toutes les 138 millisecondes. Dans leur nouvelle version « chat lune » compressée, le qubit a maintenu son état pendant 22 secondes avant qu'une erreur similaire ne se produise. Cela représente une amélioration de la stabilité d'un facteur 160. Crucialement, ce gain massif ne s'est pas fait au détriment d'une vulnérabilité accrue au deuxième type d'erreur ; le taux auquel le qubit brouille sa phase est resté sensiblement le même, durant environ 1,3 microseconde dans les deux cas. Cela signifie que les chercheurs ont réussi à rendre le qubit beaucoup plus robuste contre un mode de défaillance spécifique sans affaiblir sa défense contre l'autre.

L'équipe a également testé la performance de ces nouveaux qubits lorsqu'on leur demandait de travailler, spécifiquement en exécutant une porte logique, qui est une opération de base où l'ordinateur traite l'information. Ils ont découvert que les qubits compressés non seulement maintenaient leur état plus longtemps lorsqu'ils étaient au repos, mais effectuaient également ces opérations avec plus de rapidité et de précision. Les opérations de porte étaient plus rapides, et la probabilité d'erreurs pendant le calcul a chuté de manière significative. Les chercheurs ont observé que la nouvelle forme des états de lumière rendait plus difficile la fuite accidentelle du système hors de sa zone de sécurité lors de ces mouvements rapides, réduisant ainsi davantage les erreurs. Cette amélioration était si prononcée que la probabilité globale d'une erreur d'inversion de bit lors d'une opération de porte a été réduite d'un facteur 220 par rapport à la conception standard.

Ce qui rend cette découverte particulièrement significative, c'est qu'elle n'a pas nécessité la construction d'une nouvelle machine ou la modification de la configuration physique du circuit. Les chercheurs ont utilisé la même puce supraconductrice et les mêmes composants de base que dans les expériences précédentes. Ils ont simplement ajouté un second signal de contrôle, une fréquence de pompage spécifique, à l'équipement existant pour créer l'effet de compression. Cela suggère que le chemin vers des ordinateurs quantiques plus puissants ne nécessite pas toujours l'invention de tout nouveau matériel, mais plutôt la recherche de meilleures façons de façonner l'information déjà présente dans le système. En ajustant soigneusement la forme des états quantiques, l'équipe a démontré qu'il est possible de repousser les limites de la protection contre les erreurs bien au-delà de ce qui était auparavant jugé réalisable avec des conceptions standard.

Les chercheurs ont noté que le processus de compression introduisait une augmentation très légère du taux de l'autre type d'erreur, mais cette perte était négligeable par rapport au gain énorme de stabilité contre les inversions de bits. Ils ont également observé que l'amélioration de la stabilité augmentait rapidement à mesure qu'ils augmentaient le nombre de photons dans le système, suivant un schéma beaucoup plus raide que les limites théoriques pour les conceptions standard non compressées. Cela suggère qu'à mesure que ces systèmes seront mis à l'échelle, les bénéfices de cette technique pourraient devenir encore plus puissants. Ce travail offre une méthode claire et pratique pour améliorer les performances des processeurs quantiques, rapprochant l'objectif de l'informatique quantique tolérante aux fautes, où les machines peuvent exécuter des algorithmes complexes sans correction constante, de la réalité.