Higher Josephson harmonics in a tunable double-junction transmon qubit
Cet article démontre un qubit transmon à double jonction accordable présentant un potentiel Josephson avec des harmoniques contrôlés par flux magnétique, où la spectroscopie révèle une amplitude de deuxième harmonique allant jusqu'à ~10 % et identifie un point doux de flux qui élimine les décalages dispersifs en équilibrant les couplages entre les modes internes et le qubit.
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Imaginez le monde de l'informatique quantique comme une partie de chaises musicales à enjeux élevés, mais au lieu de chaises, les joueurs sont de minuscules paquets d'énergie appelés « qubits ». Pour faire fonctionner ces qubits, les scientifiques les construisent à partir de circuits supraconducteurs — des boucles de fil qui conduisent l'électricité avec une résistance nulle lorsqu'elles sont refroidies à une température proche du zéro absolu. La recette secrète qui fait que ces circuits se comportent comme des bits quantiques plutôt que comme de simples fils électriques est un composant spécial appelé jonction Josephson. Considérez une jonction Josephson comme une porte magique et ultra-mince entre deux pièces supraconductrices. Elle laisse passer des paires d'électrons (appelées paires de Cooper) pour se faufiler, mais seulement si elles le font d'une manière très spécifique et rythmée. Ce rythme crée un « paysage d'énergie potentielle », que vous pouvez imaginer comme une colline ondulée ou une vallée où les électrons aiment s'installer.
Pendant des décennies, les scientifiques ont traité ces collines comme de simples ondes lisses, comme une onde sinusoïdale parfaite que vous pourriez voir dans un manuel de physique de base. Cette forme simple est ce qui donne aux qubits leur « anharmonicité » — un mot savant pour dire que les paliers d'énergie entre les niveaux sont inégaux, ce qui est crucial pour distinguer leurs états « 0 » et « 1 ». Cependant, des expériences récentes ont laissé entendre que ces collines pourraient être plus complexes que nous ne le pensions. Tout comme une note de musique peut avoir des harmoniques cachées (harmoniques supérieures) qui changent sa couleur ou son timbre, ces jonctions quantiques pourraient posséder des « harmoniques supérieures » cachées dans leurs ondes d'énergie. Si nous pouvons apprendre à contrôler ces harmoniques cachées, nous pourrions construire des qubits bien plus résistants au bruit et aux erreurs, menant potentiellement à un avenir où les ordinateurs quantiques seront assez stables pour résoudre des problèmes que nous ne pouvons même pas imaginer aujourd'hui.
Dans cette nouvelle étude, une équipe de chercheurs de l'Université de Copenhague et de collaborateurs a construit un nouveau gadget ingénieux pour tester cette idée. Ils ont créé un « transmon à double jonction accordable », qui est essentiellement un circuit composé de deux jonctions Josephson reliées en série : l'une est une jonction simple, et l'autre est une boucle contenant deux jonctions à l'intérieur (appelée SQUID). Imaginez cette configuration comme un instrument de musique où vous pouvez tendre ou détendre une corde (en appliquant un champ magnétique) pour changer la forme du son qu'elle produit. En faisant passer un flux magnétique à travers la boucle SQUID, l'équipe a pu remodeler dynamiquement le paysage énergétique de leur qubit, ajustant ainsi les « notes musicales » du circuit.
Ce qu'ils ont découvert est assez passionnant. En mesurant les transitions d'énergie de leur qubit, ils ont découvert qu'ils pouvaient générer une « seconde harmonique » — une ondulation à plus haute fréquence dans l'onde d'énergie — qui était étonnamment forte. Dans leur configuration la plus symétrique, cette seconde harmonique atteignait environ 10 % de la force de l'onde principale. Pour mettre cela en perspective, les expériences précédentes avec des jonctions uniques n'avaient observé que des ondulations infimes, presque invisibles. C'est comme passer de l'audition d'un murmure de seconde note à l'audition d'une harmonie claire et distincte. Les chercheurs ont confirmé cela en construisant un modèle informatique détaillé qui inclut un « mode interne » — une vibration cachée de la minuscule île de matériau supraconducteur située entre les deux jonctions. Ce mode interne agit comme un engrenage caché dans une machine qui remodèle légèrement le mouvement principal, et leur modèle a montré que cet engrenage caché était responsable des harmoniques supplémentaires observées.
L'équipe est également tombée sur un « point idéal » très spécial lors de son expérience. En ajustant le flux magnétique, ils ont découvert un point spécifique où l'interaction habituelle entre le qubit et leur dispositif de lecture (un résonateur) s'annule complètement. Normalement, le qubit pousse la fréquence du résonateur vers le haut ou vers le bas, mais à ce point magique, la poussée du mode principal du qubit est parfaitement équilibrée par une traction du mode interne, résultant en un décalage net de zéro. C'est un peu comme si deux personnes poussaient une balançoire dans des directions opposées avec une force égale ; la balançoire reste parfaitement immobile. Cette découverte est significative car elle suggère un moyen de rendre les qubits moins sensibles à certains types de bruit, menant potentiellement à des ordinateurs quantiques plus robustes.
L'article ne prétend pas avoir résolu tous les problèmes de l'informatique quantique, et il ne dit pas non plus que ces nouveaux qubits sont prêts pour votre salon. Au lieu de cela, il fournit une démonstration solide et mesurée que nous pouvons concevoir ces paysages énergétiques complexes dans un système entièrement supraconducteur. Les chercheurs ont montré qu'en jouant avec l'asymétrie entre leurs deux jonctions, ils pouvaient accéder à une riche variété de comportements quantiques auparavant difficiles d'accès. Ils ont écarté l'idée que ces effets étaient simplement du bruit aléatoire ou des artefacts simples, prouvant au contraire qu'ils sont le résultat direct de la conception du circuit et de l'interaction entre le qubit principal et son « jumeau » interne. Ce travail ouvre une nouvelle porte pour la conception de « qubits protégés » — des bits quantiques naturellement protégés contre les erreurs — et suggère que l'avenir du matériel quantique pourrait impliquer l'ajustement de ces harmoniques cachées pour créer des dispositifs quantiques sur mesure.
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