Quasiparticle-induced transitions in a fluxonium qubit
En employant une injection de quasi-particules sur puce contrôlée et en tenant compte de l'asymétrie du gap supraconducteur, cette étude parvient à isoler et à caractériser les transitions induites par les quasi-particules dans un qubit fluxonium, résolvant ainsi les divergences antérieures concernant les densités de quasi-particules déduites entre sa petite jonction et son réseau de jonctions.
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Le terrain de jeu quantique et les fantômes invisibles
Imaginez un monde où l'électricité ne circule pas comme de l'eau dans un tuyau, mais se comporte plutôt comme une onde de probabilité, permettant aux particules d'exister en deux endroits à la fois. C'est le domaine de l'informatique quantique, où les scientifiques construisent de petites machines appelées « qubits » pour résoudre des problèmes qui prendraient des millions d'années aux ordinateurs classiques. Pour faire fonctionner ces qubits, les chercheurs les gèlent à des températures plus froides que l'espace profond et les protègent de chaque fragment de bruit de l'univers. Mais il y a un fauteur de troubles sournois qui ne cesse d'apparaître : les « quasiparticules ».
Considérez un fil supraconducteur comme une piste de danse parfaitement organisée où les électrons se mettent en paire et se déplacent en parfaite harmonie. Ces paires sont appelées paires de Cooper. Une quasiparticule est comme un danseur qui aurait été expulsé de la ligne, errant seul et brisant le rythme de toute la piste. Lorsque ces danseurs solitaires heurtent le qubit, ils provoquent la perte de son information quantique, un processus appelé « décohérence ». Les scientifiques passent des années à essayer de comprendre exactement à quelle fréquence ces dysfonctionnements se produisent et d'où ils viennent, car si nous ne pouvons pas les arrêter, nos ordinateurs quantiques ne seront jamais assez fiables pour résoudre des problèmes du monde réel.
Le mystère des fantômes disparus dans le fluxonium
Dans cette étude, une équipe de chercheurs de l'Université de Syracuse, de Harvard, de Google et d'autres institutions a décidé d'enquêter sur ces fauteurs de troubles à l'intérieur d'un type spécifique de bit quantique appelé « fluxonium ». Vous pouvez considérer le fluxonium comme une balançoire très sensible et robuste. Contrairement à son cousin, le qubit « transmon », le fluxonium est conçu pour être très résistant au bruit électrique, mais cette robustesse a un revers : il est si efficace pour ignorer les charges électriques que les scientifiques ne peuvent pas facilement « voir » lorsqu'une quasiparticule saute à travers ses jonctions. C'est comme essayer de compter combien de personnes se faufilent dans un concert en écoutant le bruit de leurs pas, mais la salle de concert est si insonorisée que vous n'entendez absolument rien.
Habituellement, lorsque les scientifiques veulent savoir combien de quasiparticules causent des problèmes, ils attendent simplement de voir combien de temps le qubit reste excité avant de redescendre. Mais cette méthode revient à essayer de deviner combien de personnes se trouvent dans une pièce en regardant la porte s'ouvrir et se fermer ; il est difficile de dire si le bruit provient des personnes que vous observez ou simplement du vent qui fait battre la porte. Pour résoudre cela, les chercheurs ont construit un « injecteur de quasiparticules » spécial directement sur la même puce que leur qubit. Imaginez un minuscule arroseur contrôlé qui projette une rafale de ces danseurs rebelles sur la piste de danse sur commande. En allumant et en éteignant cet arroseur, ils pouvaient créer une quantité connue de chaos et mesurer exactement à quel point le qubit perdait son énergie par rapport au moment où l'arroseur était éteint.
Ce qu'ils ont découvert : La taille compte
L'équipe a découvert quelque chose de surprenant sur le comportement de ces quasiparticules. Pendant longtemps, les scientifiques ont supposé que le « gap » (l'écart) entre les niveaux d'énergie dans les matériaux supraconducteurs était le même partout dans le circuit, comme un sol parfaitement plat. Ils supposaient également que les quasiparticules étaient très froides et avaient une faible énergie, n'ayant pas assez d'énergie pour faire grand-chose. Cependant, les chercheurs ont découvert que dans leur fluxonium, le sol n'était pas du tout plat. Le matériau supraconducteur d'un côté de la jonction était légèrement plus épais que de l'autre, créant une « asymétrie de gap ».
Cette différence d'épaisseur agissait comme un videur à l'entrée d'un club. Lorsque les quasiparticules tentaient de sauter à travers la jonction pour causer des problèmes, le videur (la différence de gap) en arrêtait beaucoup, surtout lorsque le qubit se trouvait dans un état spécifique appelé le point du « quantum de flux à demi-entier ». Les chercheurs ont démontré que si l'on ignore ce videur, vos calculs prédisent que le qubit devrait être beaucoup plus sensible aux quasiparticules à ce point précis qu'il ne l'est réellement. Mais une fois qu'ils ont pris en compte le videur, les calculs correspondaient parfaitement à l'expérience.
Résoudre la divergence
Cette découverte aide à résoudre un mystère de longue date. Dans des études précédentes, les scientifiques avaient mesuré les « limites supérieures » (les estimations du pire scénario) du nombre de quasiparticules présentes dans la petite jonction par rapport à la grande série de jonctions du circuit. Ils constataient systématiquement que la petite jonction semblait avoir beaucoup plus de fauteurs de troubles que la grande série — parfois dix fois plus. Cela n'avait pas de sens, car les quasiparticules devraient être réparties uniformément.
Les auteurs suggèrent que cette divergence n'était pas due au fait que la petite jonction était réellement plus « sale ». Au contraire, c'était parce que les anciens modèles mathématiques ignoraient l'effet du « videur ». Les modèles supposaient que le gap était identique partout, ce qui faisait paraître la grande série comme étant la cause d'un énorme désordre (car les mathématiques prédisaient qu'elle serait très sensible). Lorsque les chercheurs ont ajouté la différence de gap à leur modèle, la sensibilité de la grande série a chuté, et les mathématiques ont montré que la densité de quasiparticules était en fait la même dans la petite jonction et dans la grande série.
À retenir
Bien que l'équipe n'ait pas pu mesurer parfaitement le taux d'« excitation » (la fréquence à laquelle le qubit est projeté vers le haut vers une énergie plus haute) car le qubit fuyait parfois vers des états d'énergie plus élevés et cachés qui confondaient leurs capteurs, ils étaient très confiants quant au taux de « désexcitation » (la fréquence à laquelle il redescend). Leurs résultats suggèrent que l'épaisseur inégale des films supraconducteurs est un acteur clé dans la manière dont les quasiparticules provoquent des erreurs. Cela signifie qu'en concevant soigneusement l'épaisseur de ces films, les scientifiques pourraient construire des ordinateurs quantiques meilleurs et plus stables, naturellement protégés contre ces fantômes invisibles. L'article ne prétend pas avoir encore résolu le problème, mais il fournit une carte bien plus claire de l'origine des problèmes, suggérant que l'effet du « videur » est une pièce cruciale du puzzle qui avait échappé à tout le monde.
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