Characterization of drive-induced unwanted state transitions in superconducting circuits

Dans la quête de la construction d'un ordinateur quantique, les scientifiques font la course pour maîtriser le comportement de la matière à ses plus petites échelles. L'un des outils les plus prometteurs pour cette tâche est le circuit supraconducteur, une minuscule boucle électronique composée de matériaux qui conduisent l'électricité sans aucune résistance lorsqu'ils sont refroidis à des températures proches du zéro absolu. Ces circuits agissent comme des atomes artificiels, capables de maintenir l'information dans un état de superposition quantique, où ils peuvent exister dans plusieurs configurations simultanément. Pour rendre ces circuits utiles, les chercheurs doivent être capables de les contrôler avec une précision extrême, en utilisant des impulsions micro-ondes pour inverser leurs états, effectuer des calculs et lire les résultats. Cependant, à mesure que ces machines deviennent plus complexes, un problème persistant émerge : les signaux mêmes utilisés pour contrôler les circuits peuvent parfois provoquer leur dysfonctionnement, les faisant basculer dans des états indésirables et perdant l'information qu'ils sont censés contenir. Ce problème est un goulot d'étranglement majeur, limitant la vitesse et la précision avec lesquelles ces machines quantiques peuvent fonctionner.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Yale a maintenant cartographié précisément comment et pourquoi ces dysfonctionnements se produisent. En soumettant un type spécifique de circuit supraconducteur, connu sous le nom de transmon, à une large gamme de fréquences et de niveaux de puissance micro-ondes, ils ont découvert que les transitions d'état indésirables ne sont pas causées par une erreur unique, mais par trois mécanismes physiques distincts. Le premier mécanisme implique que la commande micro-ondes accorde accidentellement le circuit en résonance avec des défauts parasites invisibles dans les matériaux environnants. Le deuxième est une propriété intrinsèque du circuit lui-même, où la commande force le système à absorber plusieurs photons à la fois, le poussant vers des états de haute énergie qu'il n'était pas censé atteindre. Le troisième mécanisme est une forme de diffusion, où la commande provoque un changement d'état du circuit tout en déchargeant l'excès d'énergie dans des ondes électromagnétiques parasites piégées dans le boîtier du dispositif.

Les chercheurs ont abordé ce problème comme des cartographes traçant un paysage dangereux. Ils ont mis en place une expérience où ils préparaient leur circuit dans un état connu, puis le bombardaient avec une impulsion de « pompage » de micro-ondes variant à la fois en fréquence et en puissance. Ils mesuraient ensuite l'état final du circuit. En balayant la fréquence de commande sur une plage massive, d'environ 2,8 gigahertz à 11,8 gigahertz, et en ajustant la puissance, ils ont généré une carte détaillée de chaque façon possible dont le circuit pouvait être dévoyé. Cette carte a révélé un terrain complexe de résonances, apparaissant sous forme de lignes brillantes et de zones floues où la probabilité d'une erreur augmentait brusquement. Le but de l'équipe était de classer ces caractéristiques dans leurs trois catégories, afin de comprendre la cause profonde de chacune pour que les conceptions futures puissent les éviter.

La première catégorie de problèmes, que les chercheurs ont identifiée comme étant l'échange d'énergie résonnant, se comporte différemment des autres. Ces transitions ne dépendent pas de la fréquence spécifique de la commande micro-ondes, mais plutôt de la manière dont la commande déplace les niveaux d'énergie du circuit. Lorsqu'un signal micro-onde puissant est appliqué, il pousse la fréquence naturelle du circuit vers le haut ou vers le bas, un phénomène connu sous le nom de décalage Stark alternatif (ac-Stark shift). Si ce décalage déplace la fréquence du circuit pour correspondre à celle d'un minuscule défaut caché dans le matériau — souvent appelé système à deux niveaux — le circuit peut soudainement décharger son énergie dans ce défaut. Les chercheurs ont observé cela en surveillant la façon dont le circuit se décohérait au fil du temps. Ils ont constaté que ces défauts ne sont pas statiques ; ils dérivent et basculent entre différentes fréquences sur des périodes de minutes ou d'heures, créant une cible mouvante difficile à prédire. Ce mécanisme est une cause principale de perte d'énergie, limitant la durée de vie de l'information quantique.

La deuxième catégorie consiste en des transitions qui sont intégrées dans la conception même du circuit. Même si le dispositif était parfaitement isolé du monde extérieur, la commande micro-ondes pourrait toujours forcer le circuit à absorber deux photons ou plus simultanément. Comme le circuit est non linéaire, ce qui signifie que sa réponse change selon son état, il peut passer directement de son état fondamental à un état beaucoup plus élevé, non computationnel, en absorbant plusieurs photons de la commande en un seul événement. Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques avancées basées sur les lois de la mécanique quantique pour prédire exactement où ces sauts se produiraient. Les simulations correspondaient remarquablement bien aux données expérimentales, confirmant que ces transitions sont une caractéristique inhérente à la physique du circuit. Les chercheurs ont noté que ces sauts deviennent « flous » ou étalés parce que la charge électrique interne du circuit dérive légèrement au fil du temps, brouillant les conditions exactes nécessaires pour que le saut se produise.

La troisième catégorie implique l'interaction du circuit avec l'environnement électromagnétique créé par la structure du dispositif. Lorsque la commande micro-ondes frappe le circuit, elle peut subir une diffusion, changeant l'état du circuit tout en excitant simultanément une onde électromagnétique parasite piégée dans le boîtier métallique ou l'emballage entourant la puce. Ces ondes parasites agissent comme des résonateurs cachés, et si leur fréquence correspond à la différence d'énergie créée par l'événement de diffusion, la transition devient très probable. Les chercheurs ont découvert que ces modes parasites peuvent exister à des fréquences bien plus élevées que la fréquence de fonctionnement du circuit, atteignant même 28 gigahertz. En effectuant des simulations électromagnétiques de l'ensemble du boîtier du dispositif, ils ont pu identifier les formes et les emplacements spécifiques de ces modes parasites, montrant que la configuration physique du dispositif joue un rôle critique dans la création de ces erreurs.

Pour distinguer ces trois causes, l'équipe a développé une méthode systématique d'élimination. Si une transition apparaissait indépendamment de la fréquence de la commande et dépendait uniquement du décalage induit par la puissance, elle était attribuée aux défauts matériels. Si la transition apparaissait dans les simulations informatiques du circuit isolé, elle était classée comme un événement multiphotonique intrinsèque. Tout autre transition qui ne pouvait être expliquée par le circuit seul était identifié comme un événement de diffusion inélastique impliquant l'environnement externe. Cette classification a permis de localiser l'origine de presque toutes les erreurs observées lors de l'expérience. Ils ont découvert que, bien que certaines transitions soient causées par le comportement imprévisible des défauts matériels, la majorité des motifs complexes observés pouvaient être prédits en simulant l'interaction du circuit avec son environnement électromagnétique.

Les implications de ce travail s'étendent au-delà d'une seule expérience. Les chercheurs ont démontré qu'en comprenant les mécanismes spécifiques derrière ces erreurs, les ingénieurs peuvent faire des choix éclairés pour les éviter. Par exemple, ils ont montré que certaines fréquences de commande sont beaucoup plus sûres que d'autres, offrant des « fenêtres » où le circuit peut être contrôlé sans déclencher ces transitions indésirables. Ils ont également souligné que la conception du boîtier du dispositif est tout aussi importante que celle du circuit lui-même, car le boîtier métallique peut abriter des modes résonnants qui sabotent le fonctionnement. Bien que les défauts microscopiques dans les matériaux restent un défi nécessitant de meilleures techniques de fabrication, l'environnement électromagnétique peut être conçu et simulé pour minimiser son impact.

Cette étude fournit un cadre complet pour diagnostiquer et atténuer les erreurs qui affectent les circuits quantiques supraconducteurs. En séparant les causes de défaillance en catégories distinctes et compréhensibles, les chercheurs ont offert une voie claire pour améliorer la fidélité des opérations quantiques. Leur travail suggère que la clé pour construire des ordinateurs quantiques plus fiables ne réside pas seulement dans la fabrication de meilleurs circuits, mais dans la compréhension de la danse complexe entre le circuit, les matériaux dont il est construit et les ondes électromagnétiques qui l'entourent. Grâce à une conception minutieuse et à la sélection stratégique des fréquences de contrôle, il est possible de contourner ces pièges, ouvrant la voie à un traitement de l'information quantique plus robuste et plus puissant.