Adaptive Spectroscopy of Fast Two-Level-System Dynamics in Superconducting Qubits

Imaginez que vous essayez d'écouter une note unique et parfaite jouée par un violon dans une salle de concert. Maintenant, imaginez que la salle est remplie de milliers de petits fantômes invisibles. Ces fantômes ne sont pas effrayants ; ils sont juste très agités. De temps en temps, l'un d'eux pourrait sauter sur la corde du violon, changeant légèrement la hauteur de la note, ou faisant disparaître le son plus vite qu'il ne le devrait. Dans le monde de l'informatique quantique, ces « fantômes » sont réels. Ils sont appelés systèmes à deux niveaux (TLS), et ce sont de minuscules défauts cachés dans les matériaux qui composent les ordinateurs quantiques.

Les ordinateurs quantiques sont le prochain grand saut technologique, promettant de résoudre des problèmes impossibles pour nos supercalculateurs actuels. Ils utilisent des « qubits » (bits quantiques) pour faire leurs calculs. Mais les qubits sont incroyablement fragiles. Si un qubit perd son énergie ou est perturbé par le bruit, le calcul échoue. Pendant des années, les scientifiques ont su que ces défauts TLS sont la raison principale pour laquelle les qubits perdent leur énergie et commettent des erreurs. Le problème, c'est que ces défauts sont sournois. Ils se déplacent, changent de fréquence et s'activent ou se désactivent. Jusqu'à présent, les outils utilisés pour les étudier étaient comme essayer de prendre en photo un colibri avec un appareil qui ne prend une photo qu'une fois par heure. Le temps que la photo se développe, l'oiseau avait déjà bougé, changé de couleur et s'était envolé. Nous savions que les fantômes étaient là, mais nous ne pouvions pas les attraper en plein acte.

C'est là qu'une nouvelle équipe de chercheurs intervient avec une astuce ingénieuse. Ils ont construit une « caméra ultra-rapide » pour ces fantômes quantiques. Au lieu d'attendre des heures pour voir ce qu'un défaut fait, ils utilisent un système intelligent et adaptatif qui met à jour ses suppositions des milliers de fois par seconde. Avec cette nouvelle méthode, ils ont découvert que ces défauts sont beaucoup plus actifs que nous ne le pensions. Ils ont découvert que certains défauts changent de comportement en seulement quelques secondes, et que d'autres dérivent comme une personne ivre rentrant chez elle, se déplaçant beaucoup plus vite que ce que l'on avait jamais vu auparavant.

Voici l'histoire de leur découverte, racontée avec le ton d'un adolescent curieux.

Les Fantômes dans la Machine

Considérez un qubit supraconducteur comme une station de radio très sensible. Elle émet à une fréquence spécifique, comme 5,1 gigahertz. Pour faire son travail, elle doit rester réglée exactement sur cette fréquence. Mais à l'intérieur de la radio, il y a de minuscules « défauts » invisibles (les TLS) qui rôdent dans l'isolation et le métal. Parfois, un défaut décide de se régler sur la même fréquence que la radio. Quand cela arrive, la radio est distraite. Elle perd son énergie au profit du défaut, et le signal s'estompe. C'est ce qu'on appelle la « relaxation », et c'est l'ennemi de l'informatique quantique.

Pendant longtemps, les scientifiques pensaient que ces défauts étaient principalement stationnaires. Ils croyaient que si vous observiez un défaut, il resterait sur place pendant des heures, ou dériverait lentement comme un nuage dans le ciel. Si vous vouliez cartographier où se trouvaient ces défauts et comment ils bougeaient, vous deviez passer des heures à scanner les fréquences radio. C'était comme essayer de cartographier une ville en la parcourant une seule fois par jour ; vous auriez manqué tous les embouteillages et les gens qui courent partout.

La Percée de la « Caméra Intelligente »

Les chercheurs de cet article, travaillant avec des dispositifs construits au MIT et à l'Université du Wisconsin, ont décidé de construire une meilleure façon d'observer les fantômes. Ils ont utilisé un type spécial de qubit capable de changer de fréquence à la volée, comme une radio qui peut instantanément se régler sur n'importe quelle station. Ils ont également utilisé une puce informatique ultra-rapide appelée FPGA (Field-Programmable Gate Array) pour servir de cerveau à l'opération.

Au lieu de simplement fixer un point pendant longtemps, leur système est « adaptatif ». Imaginez que vous jouez à un jeu de « Chaud et Froid » pour trouver un objet caché. Un joueur normal pourrait vérifier un endroit, attendre une minute, puis en vérifier un autre. Ce nouveau système est comme un joueur de génie qui, après chaque tentative, calcule instantanément l'endroit où l'objet est le plus susceptible de se trouver ensuite et s'y précipite immédiatement.

Ils ont utilisé cette méthode pour scanner la plage de fréquences du qubit. Chaque fois qu'ils vérifiaient une fréquence, le système mesurait la vitesse à laquelle le qubit perdait son énergie. Si la perte d'énergie augmentait brusquement, cela signifiait qu'un défaut était présent. Parce que le système était si rapide, il pouvait prendre un « instantané » de toute la plage de fréquences en moins d'une seconde. En répétant cela encore et encore, ils ont créé un film des défauts en action.

La Surprise : Les Fantômes sont Hyperactifs

Lorsqu'ils ont regardé le film, les résultats ont été choquants. Ils ont découvert deux principaux types de comportements « fantomatiques » qui se produisaient beaucoup plus vite que prévu.

1. L'Interrupteur de Télégraphie :
Certains défauts agissaient comme un interrupteur que l'on actionne avec une main nerveuse. Le défaut se trouvait à une fréquence, provoquant la perte d'énergie du qubit, puis soudainement — pouf ! — il sautait à une autre fréquence. Les chercheurs ont mesuré que ces sauts se produisaient avec un temps caractéristique d'environ 2,2 secondes.

Imaginez cela comme le faisceau d'un phare qui pivote soudainement vers une autre direction. Par le passé, les scientifiques pensaient que ces changements se produisaient sur des heures. Découvrir qu'ils se produisent en quelques secondes signifie que l'environnement de l'ordinateur quantique est bien plus chaotique que nous ne le pensions. C'est comme réaliser que la pièce dans laquelle vous êtes assis est en fait remplie de gens qui sautent constamment de chaise en chaise, plutôt que de rester assis tranquillement.

2. La Marche de l'Ivrogne (Diffusion Spectrale) :
D'autres défauts ne faisaient pas que sauter ; ils erraient. Ils dérivaient lentement à travers le spectre des fréquences, comme une personne ivre titubant dans une rue. Les chercheurs ont mesuré la vitesse de leur dérive et ont trouvé une « diffusivité » (une mesure de la rapidité de leur errance) d'environ 0,9 MHz² s⁻¹.

Et voici le plus incroyable : cette vitesse de dérive était environ 300 fois plus rapide que ce qui avait été observé dans les expériences précédentes qui duraient des heures. Il s'avère que les mesures lentes, de plusieurs heures, créaient en réalité un « flou » sur l'image. En moyennant tout sur une longue période, les scientifiques avaient manqué le fait que les défauts tournaient en fait très vite. C'est comme regarder une voiture rapide à travers une fenêtre embuée ; si vous regardez trop longtemps, la voiture n'apparaît que comme une traînée floue. Mais si vous avez une caméra rapide, vous voyez qu'elle file.

Pourquoi cela importe pour votre futur ordinateur

Vous pourriez vous demander : « Et alors ? C'est juste quelques secondes plus rapide. » Mais dans le monde de l'informatique quantique, le timing est tout.

Les chercheurs ont également vérifié si ces fantômes à mouvement rapide causaient réellement des erreurs dans la logique de l'ordinateur. Ils ont effectué un test appelé « benchmarking aléatoire » (randomized benchmarking), qui est comme un test de résistance pour le cerveau de l'ordinateur. Ils ont trouvé une connexion forte : lorsqu'un défaut était actif et provoquait une perte d'énergie rapide du qubit, l'ordinateur commettait plus d'erreurs dans ses calculs. La corrélation était forte, avec une valeur de 0,618, ce qui signifie que les fantômes perturbaient réellement le travail.

Cela change la donne pour la façon dont nous construisons et réparons les ordinateurs quantiques. Pendant longtemps, le plan consistait à calibrer (régler) ces ordinateurs toutes les quelques heures. Mais si les défauts sautent autour toutes les quelques secondes, régler l'ordinateur toutes les quelques heures, c'est comme essayer de réparer le moteur d'une voiture pendant qu'elle roule à 100 mph. Vous allez rater le problème.

L'article suggère que nous avons besoin d'une nouvelle façon de penser. Au lieu de vérifier l'ordinateur une fois par jour, nous pourrions avoir besoin de le vérifier constamment, en temps réel. Les chercheurs ont montré que leur « caméra intelligente » rapide pourrait être utilisée pour repérer ces problèmes au moment où ils surviennent. Si le système voit un défaut causer trop de problèmes, il pourrait mettre le calcul en pause ou ajuster la fréquence pour éviter totalement le fantôme.

L'essentiel à retenir

Cet article n'a pas seulement découvert un nouveau type de défaut ; il a découvert que les défauts que nous connaissions déjà sont beaucoup plus énergiques et imprévisibles que nous ne l'avions imaginé. Ce ne sont pas des fantômes stationnaires ; ce sont des danseurs hyperactifs.

Les chercheurs ont prouvé qu'en utilisant des mesures rapides et adaptatives, nous pouvons voir ces danses en temps réel. Ils ont écarté l'idée que ces mouvements rapides soient un simple hasard ou une erreur de l'équipement ; ils ont observé le même comportement sur deux appareils différents construits dans deux laboratoires différents. Ils n'ont pas encore résolu le problème des défauts — nous ne savons toujours pas exactement de quoi ces défauts sont faits ni comment les éliminer complètement. Mais ils nous ont donné la première carte haute vitesse de l'endroit où ils se trouvent et de la façon dont ils se déplacent.

C'est un peu comme découvrir que la « neige » sur une vieille télévision n'est pas juste un bruit aléatoire, mais une multitude de petites créatures qui bougent très vite. Maintenant que nous savons qu'elles sont là et que nous savons à quelle vitesse elles bougent, nous pouvons enfin commencer à construire de meilleurs boucliers pour les empêcher de gâcher notre spectacle. Pour l'avenir de l'informatique quantique, c'est une étape majeure : nous ne pouvons plus ignorer les fantômes, mais maintenant, nous avons enfin les outils pour les attraper.