Unified scaling of transmon sub-resonant parametric drive strength limits

Dans la quête de la construction d'un ordinateur quantique, les scientifiques tentent d'apprendre à de minuscules circuits à réfléchir. Ces circuits, composés de matériaux supraconducteurs qui transportent l'électricité sans résistance, reposent sur des atomes artificiels appelés transmons pour stocker l'information. Pour faire fonctionner ces ordinateurs, les chercheurs doivent déplacer l'information entre ces atomes artificiels de manière rapide et précise. Ils y parviennent en frappant les circuits avec des impulsions micro-ondes, ce qui revient à les tapoter avec un rythme précis pour échanger de l'énergie ou changer leur état. Plus vite ils peuvent tapoter, plus vite l'ordinateur peut résoudre des problèmes. Cependant, il y a un piège. Si vous tapez trop fort, l'état quantique délicat se brise. Le système cesse de se comporter comme une machine prévisible et commence à agir comme un désordre chaotique, brouillant l'information qu'il était censé contenir. Cette limite sur la force avec laquelle on peut pousser le système avant qu'il ne s'effondre est un obstacle majeur à la construction de processeurs quantiques puissants.

Une équipe de chercheurs de l'Université Yale et de l'Université de Pittsburgh s'est donné pour mission de cartographier cette limite. Ils voulaient comprendre exactement comment la conception du transmon lui-même modifie le point où le système passe de l'ordre au chaos. Ils n'ont pas seulement examiné un type de circuit ; ils ont construit et testé quatorze versions différentes, chacune ayant une structure interne légèrement différente qui modifie l'espacement des niveaux d'énergie de l'atome artificiel. En pilotant ces circuits avec des micro-ondes et en observant ce qui se passait à mesure qu'ils augmentaient la puissance, ils ont découvert une règle simple qui les régit tous. Ils ont découvert que la force maximale du tapotement micro-onde n'est pas un nombre aléatoire, mais qu'elle est directement liée à un rapport spécifique entre la fréquence naturelle du circuit et son espacement interne. Cette découverte fournit un guide clair aux ingénieurs concevant la prochaine génération d'ordinateurs quantiques, leur montrant exactement jusqu'à quelle vitesse ils peuvent pousser leurs portes avant que le système ne s'effondre.

Les chercheurs ont commencé par préparer ces transmons dans leur état d'énergie le plus bas, l'état fondamental, qui est le point de départ de tout calcul. Ils ont ensuite appliqué une commande micro-onde, un signal qui oscille à une fréquence inférieure à la fréquence naturelle du transmon. C'est une technique courante utilisée pour faire communiquer les circuits entre eux sans les connecter directement. À mesure qu'ils augmentaient lentement le volume de ce signal micro-onde, ils observaient le comportement du transmon. À faible volume, le système répondait de manière prévisible, déplaçant ses niveaux d'énergie de façon contrôlée. Mais à mesure que le volume augmentait, un seuil était atteint où le système perdait soudainement son ordre. Les niveaux d'énergie, qui étaient autrefois distincts et séparés, commençaient à se mélanger violemment. Le transmon sautait dans des états hautement excités qu'il n'était jamais censé occuper, et l'information qu'il détenait était perdue dans le chaos. Cette transition n'est pas un affaiblissement progressif ; c'est un passage soudain d'un état stable à un état turbulent.

Pour comprendre pourquoi cela se produisait, l'équipe a combiné ses expériences physiques avec de puissantes simulations informatiques. Ils ont modélisé la physique du transmon en utilisant deux approches différentes. Une méthode examinait l'évolution des états quantiques au fil du temps, suivant la façon dont les différents niveaux d'énergie interagissaient. L'autre traitait le système comme un pendule classique, un objet familier qui oscille d'avant en arrière. Ils ont découvert que les deux méthodes racontaient la même histoire. Lorsque la commande devenait trop forte, les orbites stables du pendule se brisaient, et le système entrait dans une région chaotique où il ne pouvait plus être contrôlé. Cela a confirmé que le chaos observé en laboratoire est une propriété fondamentale du système, et non un simple bug de leur équipement.

Le résultat le plus frappant est venu lorsqu'ils ont comparé les quatorze transmons différents qu'ils ont testés. Malgré des structures internes très différentes, certaines ayant des niveaux d'énergie espacés de loin et d'autres très proches, leur comportement s'est regroupé sur une seule courbe simple. Les chercheurs ont découvert que la limite de la force avec laquelle ils pouvaient piloter le système dépendait presque entièrement d'un seul nombre : le rapport entre la fréquence du transmon et la taille de l'écart entre ses niveaux d'énergie. Si vous connaissez ce rapport, vous pouvez prédire exactement la puissance micro-onde que le circuit peut supporter avant de devenir chaotique. C'était surprenant car ils s'attendaient à ce que la réponse soit beaucoup plus complexe, dépendant de nombreux détails de la conception du circuit. Au lieu de cela, la physique complexe s'est simplifiée en une relation directe.

Cette découverte a une valeur pratique immédiate pour la conception des ordinateurs quantiques. Les chercheurs ont utilisé leur nouvelle règle pour estimer la vitesse maximale à laquelle différentes opérations quantiques pourraient être effectuées. Ils ont examiné des tâches courantes, telles que l'échange d'informations entre deux qubits ou la création d'états quantiques spécifiques. Ils ont découvert que pour les opérations les plus communes, la limite de vitesse est étonnamment similaire à travers tous les types de transmons. Que le circuit ait un grand ou un petit espacement entre ses niveaux d'énergie, la vitesse maximale est sensiblement la même. Cela signifie que les ingénieurs n'ont pas besoin de modifier radicalement la conception de leurs circuits pour obtenir des portes plus rapides ; ils peuvent se concentrer sur d'autres facteurs. La seule façon d'augmenter significativement la vitesse est d'augmenter la fréquence du transmon lui-même, mais cela est souvent difficile car les fréquences plus élevées ont tendance à rendre les circuits plus fragiles et sujets aux erreurs.

L'étude a également clarifié ce qui se passe lorsqu'on pousse trop le système. Les chercheurs ont montré que le point de rupture n'est pas déterminé par les détails spécifiques du signal micro-onde ou par la forme exacte du circuit, mais par la physique fondamentale des niveaux d'énergie du transmon. Lorsque la force de la commande dépasse la limite, le système entre dans un état de chaos où les niveaux d'énergie s'hybrident, ou se mélangent, si profondément que les états quantiques distincts disparaissent. Cela diffère des autres types d'erreurs qui peuvent être corrigées par une meilleure ingénierie. Ce chaos est une limite dure imposée par la nature. Les chercheurs ont confirmé cela en montant que leurs données expérimentales correspondaient parfaitement à leurs simulations, ce qui leur donne une grande confiance dans leurs résultats.

En établissant cette règle universelle, l'article fournit un point de référence clair pour l'ensemble du domaine. Il indique aux concepteurs qu'il existe un plafond sur la vitesse à laquelle ils peuvent réaliser leurs portes quantiques en utilisant cette méthode spécifique. Bien que d'autres types de coupleurs puissent offrir des limites différentes, le transmon, qui est le outil de travail des processeurs quantiques actuels, possède une frontière bien définie. Les chercheurs suggèrent que les conceptions futures devraient se concentrer sur l'optimisation de la fréquence du coupleur plutôt que de tenter de modifier l'espacement interne des niveaux d'énergie, puisque ce dernier a peu d'effet sur la limite de vitesse. Cette analyse aide à restreindre la recherche de meilleurs ordinateurs quantiques, permettant aux ingénieurs de cesser de deviner pour commencer à concevoir avec une compréhension claire des contraintes physiques auxquelles ils sont confrontés. Le travail ne résout pas le problème de la construction d'un ordinateur quantique parfait, mais il trace une carte précise du terrain, montrant exactement où se trouvent les falaises et jusqu'où l'on peut voyager en toute sécurité avant de tomber.