Dark state as a measurable state by a dispersive readout without a Purcell limit
Cet article propose un schéma d'électrodynamique quantique à circuits où un mode sombre parvient à une lecture dispersive mesurable comparable à celle d'un état brillant tout en maintenant une perte de Purcell nulle, violant ainsi le compromis conventionnel entre la force de couplage et la décroissance.
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Dans le monde microscopique de l'informatique quantique, l'information est stockée dans des états fragiles qui peuvent être facilement détruits par le moindre contact de l'environnement. Pour lire cette information, les scientifiques doivent connecter ces systèmes quantiques au monde extérieur, mais cette connexion même crée un paradoxe dangereux. Plus le lien utilisé pour mesurer le système est fort, plus le système perd rapidement son énergie et s'effondre, un phénomène connu sous le nom de décohérence ou de désintégration. Pendant des années, les chercheurs ont cru qu'ils devaient choisir entre un signal clair et fort et un état quantique durable ; on pouvait en avoir un, mais pas l'autre. Ce compromis a constitué un obstacle majeur à la construction de machines capables de résoudre des problèmes complexes sans s'effondrer.
Une équipe de chercheurs à Taïwan a maintenant trouvé un moyen de briser cette règle. Ils ont conçu un minuscule circuit électronique contenant deux atomes artificiels supraconducteurs, qui agissent comme les briques élémentaires d'un ordinateur quantique. Ces atoms sont connectés à un dispositif de mesure unique, mais l'équipe les a disposés selon un motif symétrique spécifique qui crée deux types de comportements distincts. Un type de comportement, qu'ils appellent un état « brillant », interagit fortement avec le dispositif de mesure, ce qui permet de le lire facilement mais provoque une perte d'énergie rapide. L'autre type, un état « sombre », est conçu de telle sorte qu'il interagit très peu avec le dispositif de mesure, se cachant ainsi efficacement de la perte d'énergie qui détruit habituellement l'information quantique.
La percée réside dans la manière dont ils ont rendu cet état caché visible. Même si l'état sombre ne communique pas directement avec le dispositif de mesure, les chercheurs ont découvert qu'il laisse tout de même une empreinte sur le système grâce à une interaction subtile avec son partenaire brillant. En mesurant l'état brillant, ils ont pu détecter indirectement la présence de l'état sombre avec presque la même clarté que s'il interagissait directement. Dans leurs expériences, l'état sombre a duré près de deux fois plus longtemps que l'état brillant, prouvant qu'il était protégé de la désintégration rapide qui limite habituellement la durée de vie d'un bit quantique. Pourtant, malgré cette protection, l'état sombre a tout de même modifié la fréquence du dispositif de mesure d'une manière qui pouvait être clairement distinguée de l'état fondamental.
L'expérience a été menée sur une puce microscopique refroidie à une température juste au-dessus du zéro absolu. Les chercheurs ont utilisé des impulsions micro-ondes pour pousser le système vers l'état brillant ou l'état sombre. Lorsqu'ils ont tenté de mesurer l'état sombre directement via la connexion principale, celui-ci est resté silencieux, confirmant qu'il était effectivement protégé des fuites d'énergie habituelles. Cependant, lorsqu'ils ont observé la façon dont le système répondait à une sonde douce, ils ont constaté que l'état sombre provoquait toujours un décalage mesurable de la fréquence du résonateur. Ce décalage était presque identique à celui causé par l'état brillant, démontrant que l'information était présente pour être lue sans la pénalité d'une désintégration rapide.
Cette découverte suggère une nouvelle voie pour l'informatique quantique. En utilisant ce « mode sombre », les scientifiques pourraient être en mesure de stocker l'information quantique pendant des périodes plus longues tout en étant capables de la lire quand cela est nécessaire. Les chercheurs ont montré que l'état sombre pouvait être préparé et mesuré avec une grande fiabilité, offrant un moyen de garder les données quantiques à l'abri de l'environnement sans les rendre invisibles pour l'observateur. Cette approche pourrait être particulièrement utile pour détecter et corriger les erreurs dans les futurs ordinateurs quantiques, où la préservation de l'état de l'information est aussi importante que sa lecture. Ce travail démontre qu'en disposant soigneusement les connexions entre les composants quantiques, il est possible d'obtenir le meilleur des deux mondes : un état qui est à la fois durable et mesurable.
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