Conditional-squeezing gate in superconducting circuits

Dans la quête de la construction d'un ordinateur quantique, les scientifiques sont confrontés à un choix fondamental : comment stocker l'information. L'approche la plus courante traite les données comme une chaîne de minuscules interrupteurs, chacun verrouillé dans l'une des deux positions, représentant un zéro ou un un. Cette méthode fonctionne bien, mais elle nécessite de nombreux interrupteurs physiques pour protéger une seule unité d'information contre les erreurs. Une voie alternative s'intéresse à la nature continue des ondes lumineuses et sonores, où l'information est encodée dans la forme et la phase d'une onde qui peut exister dans un nombre infini d'états. Cette approche continue offre un moyen de compacter davantage de données dans un seul système, mais elle est notoirement difficile à contrôler. Le défi consiste à façonner ces ondes avec une précision extrême sans introduire le bruit qui détruit l'information quantique.

Des chercheurs en Argentine ont désormais démontré une nouvelle façon de façonner ces ondes quantiques avec une haute précision, offrant une étape prometteuse vers une mémoire quantique plus robuste. Ils se sont concentrés sur un type spécifique d'onde appelée état comprimé (squeezed state), où l'incertitude de l'onde est compressée dans une direction tout en s'étendant dans une autre, un peu comme si l'on pressait un ballon. L'objectif était de créer un dispositif capable de comprimer cette onde dans une direction déterminée par l'état d'un bit quantique distinct, ou qubit. Cette action conditionnelle est essentielle pour construire des codes quantiques complexes capables de détecter et de corriger leurs propres erreurs. Cependant, les lois physiques régissant ces circuits introduisent des ondulations subtiles et indésirables qui déforment l'onde, menaçant de ruiner l'opération. L'équipe a développé une technique ingénieuse pour annuler ces ondulations, leur permettant de créer une porte de compression presque parfaite. Leurs simulations montrent que cette méthode peut encoder l'information quantique avec une fidélité dépassant 99 %, un niveau de précision requis pour l'informatique quantique pratique.

L'expérience se déroule dans un circuit supraconducteur, une minuscule boucle électronique faite de matériaux qui conduisent l'électricité sans résistance lorsqu'ils sont refroidis à des températures proches du zéro absolu. Au cœur de ce dispositif se trouve un résonateur, une chambre qui piège les ondes électromagnétiques, et un qubit, un interrupteur microscopique qui peut être dans un état zéro ou un. Les deux sont liés de telle sorte que l'état du qubit modifie la fréquence naturelle du résonateur. Pour comprimer l'onde à l'intérieur du résonateur, les chercheurs appliquent un champ magnétique qui oscille à un taux spécifique. En utilisant simultanément deux fréquences d'oscillation différentes, ils peuvent pousser le résonateur dans un état où l'onde est compressée. Crucialement, parce que le qubit modifie la fréquence du résonateur, la compression se produit dans une direction si le qubit est zéro, et dans une direction perpendiculaire s'il est un. Cela crée une porte conditionnelle, un bloc de construction fondamental pour la logique quantique.

Le problème est que la physique du circuit n'est pas parfaitement propre. À mesure que le champ magnétique pilote le système, il introduit des termes de dérive lents qui font osciller l'onde et accumulent des déphasages indésirables. Ces distorsions agissent comme un léger désalignement, faisant en sorte que l'onde compressée pointe dans la mauvaise direction ou acquière une phase aléatoire qui brouille l'information. Dans les tentatives précédentes pour construire des portes similaires, ces erreurs étaient difficiles à corriger, limitant la précision de l'opération. Les chercheurs ont réalisé que la manière spécifique dont ils pilotaient le système avec deux fréquences créait une symétrie cachée. Ils ont découvert que s'ils inversaient le flux du temps et échangeaient les rôles des deux fréquences de commande, les distorsions indésirables s'annuleraient mutuellement.

Pour exploiter cette symétrie, l'équipe a conçu un protocole en quatre étapes. D'abord, ils laissent le système évoluer pendant une courte période, permettant à la compression de commencer et aux distorsions de commencer à s'accumuler. Ensuite, ils appliquent une impulsion rapide pour basculer le qubit de zéro à un ou vice versa, tout en échangeant simultanément les phases des deux fréquences de commande. Cette action inverse effectivement la direction du temps pour les distorsions. Ils laissent le système évoluer pendant une durée égale dans cet état inversé, permettant aux erreurs de s'annuler elles-mêmes. Enfin, ils basculent le qubit vers son état d'origine. Le résultat est un processus où l'effet de compression souhaité s'additionne, tandis que les erreurs indésirables s'annulent complètement.

L'équipe a testé cette méthode à l'aide de simulations informatiques détaillées qui modélisaient le comportement du circuit avec une grande précision. Ils ont simulé l'encodage d'un état de qubit arbitraire dans un motif complexe d'ondes compressées, un processus connu sous le nom d'algorithme d'encodage. Sans la technique de correction, les erreurs provenant des termes de dérive faisaient chuter significativement la fidélité de l'information encodée, avec des écarts atteignant jusqu'à 0,3 %. Cela peut sembler faible, mais dans le monde de l'informatique quantique, de telles erreurs s'accumulent rapidement et détruisent le calcul. Lorsqu'ils ont appliqué la technique de recentrage, l'écart est tombé à presque zéro, les erreurs ne mesurant que quelques parties sur dix millions. Les simulations ont montré que la porte pouvait atteindre une fidélité moyenne de plus de 99 % pour n'importe quel état d'entrée, à condition que les composants physiques soient de haute qualité.

Les chercheurs ont également pris en compte les imperfections du monde réel qui existeraient dans un dispositif physique, telles que la perte d'énergie du circuit et le comportement non linéaire des matériaux supraconducteurs. Même en incluant ces facteurs, et en supposant des valeurs optimistes mais réalistes pour la durée de survie des états quantiques avant leur décomposition, la porte maintenait une fidélité supérieure à 99 %. L'équipe a étendu ses travaux pour montrer que cette méthode pourrait être appliquée à deux résonateurs simultanément, créant des états intriqués encore plus puissants pour le traitement de l'information quantique. Dans ce scénario à deux modes, la porte a atteint des fidélités encore plus élevées en un temps plus court, grâce aux fortes corrélations entre les deux ondes.

Ce travail offre une voie claire vers la construction de portes quantiques à haute fidélité capables de manipuler des variables continues avec la précision nécessaire à la correction d'erreurs. En utilisant une simple astuce de synchronisation pour annuler le bruit inévitable du monde physique, les chercheurs ont démontré qu'il est possible de créer une porte presque indiscernable de la version théorique idéale. La capacité d'encoder l'information dans ces états compressés spéciaux ouvre la porte à de nouveaux types de codes quantiques capables de détecter les erreurs simplement en vérifiant la parité de l'onde. Bien que les résultats présentés ici soient basés sur des simulations, ils offrent un schéma directeur concret pour les expérimentateurs, suggérant que la prochaine génération d'ordinateurs quantiques pourrait reposer sur ces systèmes basés sur des ondes continues pour stocker et traiter l'information avec une fiabilité sans précédent.