Quasiparticle-induced decoherence of a driven superconducting qubit

Dans la quête de la construction d'un ordinateur capable de résoudre des problèmes hors de portée des machines d'aujourd'hui, les scientifiques se tournent vers le monde étrange de la mécanique quantique. Au cœur de cet effort se trouvent les qubits supraconducteurs, de minuscules circuits électriques qui servent d'unités de base de l'information. Pour fonctionner, ces circuits doivent être maintenus à des températures plus froides que l'espace profond, proches du zéro absolu. Sous ces conditions glaciales, l'électricité circule sans aucune résistance, et le circuit se comporte comme un objet quantique unique et unifié. Cependant, même à ces températures extrêmes, le matériau n'est pas parfaitement pur. De minuscules fragments brisés de l'état supraconducteur, connus sous le nom de quasiparticules, peuvent encore exister. Ces fragments agissent comme des électrons égarés qui peuvent s'introduire furtivement dans le circuit et perturber son état quantique délicat, provoquant des erreurs. Pendant des années, les ingénieurs ont tenté de résoudre ce problème en concevant des circuits dotés d'une barrière d'énergie spécifique qui rend difficile le passage de ces particules égarées, protégeant ainsi efficacement le qubit de leur interférence.

Malgré ces astuces d'ingénierie ingénieuses, une nouvelle étude révèle que l'outil même utilisé pour contrôler le qubit — le signal micro-onde qui lui dicte quoi faire — peut par inadvertance réveiller ces problèmes dormants. Les chercheurs, travaillant avec des circuits supraconducteurs chez Google Quantum AI et des universités aux États-Unis, ont découvert que lorsqu'un qubit est piloté par un signal micro-onde pour effectuer un calcul ou une mesure, l'énergie de ce signal peut aider les quasiparticules à surmonter les barrières destinées à les arrêter. C'est comme si le signal micro-onde fournissait un élan d'énergie permettant à une particule bloquée de franchir une clôture qu'elle ne pourrait pas traverser seule. Cela se produit de deux manières distinctes. Dans le premier cas, une particule égarée existante absorbe un paquet d'énergie provenant du signal micro-onde et un paquet d'énergie provenant du qubit lui-même, ce qui lui permet de traverser par effet tunnel à travers le circuit et de renverser l'état du qubit. Dans le second cas, le signal micro-onde est si intense que plusieurs paquets de son énergie se combinent pour briser une paire d'électrons qui étaient auparavant liés ensemble, créant deux nouvelles particules égarées et provoquant un saut du qubit vers un état non intentionnel.

L'équipe a développé une théorie détaillée pour expliquer comment ces processus se produisent, en se concentrant sur un type spécifique de circuit appelé transmon, qui est largement utilisé dans l'informatique quantique. Ils ont découvert que le taux auquel ces erreurs se produisent dépend directement de la force et de la fréquence du signal micro-onde utilisé. Si le signal est suffisamment fort, il peut totalement annuler les bénéfices acquis grâce à la conception de la barrière d'énergie, provoquant une perte d'information du qubit bien plus rapide que prévu. Il s'agit d'une découverte critique car elle fixe une limite fondamentale à la précision avec laquelle ces ordinateurs peuvent fonctionner. Les chercheurs ont montré que pour les méthodes de lecture les plus avancées actuellement en usage, la présence de ces particules pourrait introduire des taux d'erreur suffisamment importants pour compter dans des calculs de haute précision. Plus surprenant encore, ils ont découvert que si un type d'erreur peut être bloqué à certains réglages, un autre type impliquant l'absorption de multiples paquets de micro-ondes peut tout de même se produire, ce qui signifie que le problème ne se résout pas facilement en diminuant simplement le signal.

L'étude a également examiné comment ces erreurs changent lorsque le circuit est réglé par un champ magnétique. Ils ont découvert qu'à certains réglages, les erreurs causées par les paquets de micro-ondes uniques s'annulent mutuellement en raison d'un subtil effet d'interférence, mais que cette protection disparaît lorsque le circuit est réglé sur d'autres paramètres. Dans ces cas, les erreurs causées par l'absorption de deux paquets de micro-ondes deviennent la source principale de problèmes. Ce processus à deux photons est particulièrement complexe car il peut se produire même lorsque le processus à paquet unique est bloqué, et il devient plus probable à mesure que la fréquence micro-onde augmente. Les chercheurs ont calculé que pour une configuration typique, la probabilité de ces erreurs est directement liée au nombre de particules égarées dans le dispositif. Si le nombre de ces particules augmente, peut-être en raison de radiations frappant le dispositif, le taux d'erreur grimpe proportionnellement, réduisant potentiellement la précision de la sortie de l'ordinateur de manière notable.

Ce travail suggère que le chemin vers l'informatique quantique fiable est plus complexe que la simple construction de meilleures barrières. Les chercheurs soulignent que, bien que le blindage du qubit contre les particules égarées soit essentiel, la méthode utilisée pour contrôler le qubit doit également être soigneusement conçue pour éviter de donner à ces particules l'énergie nécessaire pour causer des problèmes. Ils proposent que les conceptions futures pourraient nécessiter des jonctions avec des barrières d'énergie plus élevées ou inclure des pièges spéciaux pour capturer ces particules avant qu'elles n'atteignent les parties sensibles du circuit. Les conclusions mettent également en évidence un compromis dans les méthodes de lecture à haute fréquence : si l'utilisation de fréquences plus élevées peut améliorer la vitesse et la clarté de la mesure, pousser la fréquence trop haut risque de briser les paires d'électrons et de créer de nouvelles erreurs. L'étude ne prétend pas avoir résolu le problème de l'interférence des quasiparticules, mais elle fournit une carte claire des dangers lors du fonctionnement d'un ordinateur quantique. En comprenant exactement comment la commande micro-onde interagit avec ces particules égarées, les ingénieurs peuvent désormais travailler à la conception de systèmes évitant ces pièges spécifiques, rapprochant ainsi le rêve d'un ordinateur quantique stable et à grande échelle de la réalité.