A double-resonator coupler for high-fidelity two-qubit gates between superconducting qubits

Dans la course à la construction d'un ordinateur quantique pratique, les scientifiques assemblent actuellement les machines les plus complexes que l'humanité ait jamais tentées. Ces dispositifs reposent sur des circuits supraconducteurs, de minuscules boucles de métal capables de transporter un courant électrique sans résistance et de se comporter comme des atomes artificiels. Pour rendre ces machines utiles, les chercheurs doivent relier des paires de ces atomes artificiels, appelés qubits, afin qu'ils puissent effectuer des calculs ensemble. Le défi s'apparente à une tentative de mener une conversation forte et urgente entre deux personnes dans une pièce bondée sans déranger les milliers d'autres personnes à proximité. Lorsque les qubits ne se parlent pas, ils doivent rester complètement silencieux pour éviter toute interférence accidentelle, appelée diaphonie (crosstalk). Lorsqu'ils doivent interagir, la connexion doit être forte et rapide pour achever le calcul avant que l'état quantique fragile ne s'effondre. Pendant des années, les ingénieurs ont utilisé des connecteurs réglables, ou coupleurs, pour gérer cet équilibre délicat, poussant la précision de ces interactions vers des niveaux presque parfaits. Pourtant, à mesure que ces processeurs s'agrandissent, un problème persistant demeure : il est difficile de faire taire complètement la connexion lorsque les qubits sont éloignés en fréquence, et les règles de placement sur une puce sont devenues si strictes que la conception de nouvelles machines plus grandes devient un goulot d'étranglement.

Une équipe de chercheurs a proposé un nouveau design pour ce connecteur qui résout ces problèmes en utilisant un agencement ingénieux de deux résonateurs, qui sont essentiellement des circuits vibrant à des fréquences spécifiques, reliés ensemble par une seule jonction supraconductrice. Au lieu de s'appuyer sur un réseau complexe de composants, ce nouveau dispositif, appelé coupleur à double résonateur, utilise l'interférence de deux chemins de vibration distincts pour contrôler la manière dont les qubits communiquent entre eux. Les chercheurs ont découvert qu'en ajustant soigneusement l'environnement magnétique du dispositif, ils pouvaient faire en sorte que ces deux chemins s'annulent parfaitement. Cette annulation est puissante car elle permet à la connexion entre les qubits de disparaître complètement, même lorsque les qubits sont réglés sur des fréquences très différentes et ne sont pas placés l'un à côté de l'autre. Cette découverte élimine une contrainte géométrique majeure, ce qui signifie que les ingénieurs peuvent placer les qubits de manière plus flexible sur une puce sans craindre qu'ils n'interfèrent accidentellement les uns avec les autres lorsqu'ils sont censés se reposer.

Le mécanisme derrière ce silence repose sur la façon dont les deux modes de résonance au sein du coupleur interagissent avec les qubits. Un mode se connecte aux deux qubits d'une manière qui renforce leur interaction, tandis que l'autre se connecte d'une manière qui l'affaiblit. En ajustant un champ magnétique externe, les chercheurs peuvent modifier l'équilibre entre ces deux modes. À un réglage spécifique, l'effet de renforcement et l'effet d'affaiblissement se rencontrent en une opposition parfaite, neutralisant entièrement l'interaction. Cela représente un changement significatif par rapport aux anciens designs, qui nécessitaient que les qubits soient très proches en fréquence pour obtenir un silence similaire, ou qui nécessitaient un lien électrique direct entre les qubits pour fonctionner. Le nouveau design fonctionne sans ce lien direct, ce qui signifie que le coupleur peut être conçu indépendamment de l'espacement entre les qubits. Cette flexibilité est cruciale pour l'extensibilité des processeurs quantiques, car elle permet des configurations plus variées et efficaces.

Lorsque la machine doit effectuer un calcul, le même dispositif peut être réglé pour faire l'inverse : il peut créer une connexion très forte entre les qubits. Les chercheurs ont simulé le comportement de ce dispositif et ont découvert qu'en déplaçant le champ magnétique vers un réglage différent, ils pouvaient générer une interaction puissante qui dure un temps très court. Dans leurs simulations, cette interaction était assez forte pour effectuer une opération logique spécifique, connue sous le nom de porte Controlled-Z, en seulement 20 nanosecondes. Cette vitesse est vitale car les états quantiques sont éphémères ; plus l'opération est rapide, moins l'état est susceptible de se dégrader à cause du bruit environnemental. Les simulations ont montré que cette opération rapide pouvait être effectuée avec un taux d'erreur si bas qu'il est virtuellement négligeable, suggérant que le dispositif pourrait supporter les portes de haute fidélité requises pour l'informatique quantique à correction d'erreurs.

L'étude a également abordé la réalité pratique de la construction d'un tel dispositif. Le design repose sur une seule jonction, une minuscule rupture dans la boucle supraconductrice où les effets quantiques se produisent, ce qui simplifie le processus de fabrication par rapport aux designs nécessitant plusieurs jonctions. Les chercheurs ont noté que la capacité du dispositif à annuler les interactions indésirables reste robuste même si les propriétés physiques de cette jonction unique varient légèrement en raison des imperfections inévitables de la fabrication. De plus, les simulations ont pris en compte le bruit et la perte d'énergie qui surviennent dans les matériaux du monde réel. Ils ont estimé qu'avec des niveaux de bruit réalistes, le dispositif pourrait maintenir une précision supérieure à 99,9 %. Ce niveau de performance est un seuil critique pour la construction d'ordinateurs quantiques fiables, car il répond aux exigences de la correction d'erreurs au moment même où elles se produisent.

Bien que les résultats soient actuellement basés sur des simulations informatiques détaillées plutôt que sur une expérience physique, les conclusions offrent une voie claire pour l'architecture des futurs processeurs quantiques. Le coupleur à double résonateur offre un moyen d'avoir à la fois une connexion forte et rapide quand elle est nécessaire, et un silence complet quand elle ne l'est pas, sans contraindre les ingénieurs à des modèles de conception rigides. En découplant l'interaction de la disposition physique de la puce, cette approche pourrait permettre la construction de systèmes quantiques beaucoup plus larges et complexes. Ce travail souligne que la clé de l'extensibilité de la technologie quantique ne réside peut-être pas seulement dans l'amélioration des composants, mais dans la recherche de nouvelles façons de les agencer afin qu'ils puissent travailler ensemble sans se gêner mutuellement. Alors que le domaine s'oriente vers la construction de machines dotées de milliers de qubits, des solutions comme celle-ci, qui offrent flexibilité et haute précision, seront probablement devenues la norme pour la construction de ces ordinateurs puissants.