Dynamically protected erasure qubit via low-frequency charge driving

Dans la course à la construction d'un ordinateur quantique pratique, les scientifiques sont confrontés à un paradoxe tenace. Pour effectuer des calculs, ils doivent contrôler des bits quantiques délicats, ou qubits, avec une précision extrême. Pourtant, l'acte même de les contrôler introduit souvent le bruit qui détruit l'information qu'ils contiennent. Ce bruit provient souvent de l'environnement sous la forme de fluctuations électriques à basse fréquence, un bourdonnement de fond qu'il est presque impossible d'éliminer dans les matériaux à l'état solide. Pendant des années, les chercheurs ont tenté de protéger leurs qubits de cette interférence, souvent en les concevant pour qu'ils soient moins sensibles à la charge. Cependant, cette approche se fait généralement au détriment de la performance : elle rend les qubits plus lents à contrôler ou plus difficiles à connecter entre eux. Le défi consistait à trouver un moyen de protéger l'information quantique de ce bruit à basse fréquence sans sacrifier la vitesse et la connectivité requises pour le calcul complexe.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley et d'institutions collaboratrices a trouvé une solution ingénieuse en modifiant la manière de piloter le système. Au lieu d'essayer de bloquer le bruit ou de rendre les qubits complètement immunisés, ils ont utilisé une commande électrique forte et rapide pour verrouiller efficacement les qubits en place, une technique connue sous le nom de verrouillage de spin (spin-locking). Ils ont démontré cela en utilisant un type spécifique de circuit supraconducteur appelé oscillateur de Kerr, qui agit comme un bit quantique. En appliquant une commande de charge à une fréquence juste en dessous d'un gigahertz, ils ont découvert une propriété unique : le circuit devient presque aveugle au bruit lent et de basse fréquence qui cause habituellement des erreurs, tout en restant hautement réactif aux signaux de commande rapides nécessaires aux opérations. Cette approche leur a permis de réinitialiser leurs bits quantiques en seulement 82 nanosecondes, les refroidissant à un état avec moins de 0,7 % de l'énergie indésirable qui stagne habituellement dans ces systèmes. De plus, en codant un bit logique sur deux de ces oscillateurs, ils ont créé un qubit à double rail qui est naturellement biaisé vers un type spécifique d'erreur. Cela signifie que lorsqu'une erreur se produit, elle est beaucoup plus susceptible d'être une erasure (effacement) détectable plutôt qu'une corruption silencieuse des données, une distinction qui rend la correction des erreurs nettement plus facile.

Le cœur de cette avancée réside dans la façon dont la fréquence du signal de commande interagit avec le circuit. Les chercheurs ont découvert que la sensibilité de leur oscillateur quantique au bruit de charge ne reste pas constante ; au contraire, elle croît rapidement à mesure que la fréquence de la commande augmente. Plus précisément, la sensibilité varie selon le carré de la fréquence et de la force de la commande. Cette relation est cruciale car le bruit nocif dans leur environnement suit un schéma où les basses fréquences sont beaucoup plus fortes que les hautes fréquences. En pilotant le système à une fréquence proche d'un gigahertz, les chercheurs ont poussé le système dans un régime où il est fortement couplé à leurs signaux de contrôle mais reste remarquablement insensible au bruit de basse fréquence qui affecte habituellement ces dispositifs. Ils ont vérifié cela en mesurant comment les niveaux d'énergie de l'oscillateur changeaient sous différentes conditions de commande, observant que le décalage augmentait de manière quadratique avec les paramètres de la commande. Cela a confirmé que le système filtrait efficacement les fluctuations lentes et perturbatrices tout en restant ouvert aux commandes rapides et utiles.

Pour prouver que ce concept fonctionne en pratique, l'équipe s'est d'abord concentrée sur la tâche fondamentale de la réinitialisation du bit quantique. En informatique quantique, commencer avec une ardoise propre est essentiel, mais l'énergie thermique laisse souvent le système dans un état mixte. En utilisant la commande de charge à basse fréquence, ils ont pu transférer rapidement l'énergie du bit quantique vers un résonateur dissipatif, évacuant ainsi la chaleur. Ce processus n'a pris que 82 nanosecondes et a réduit la population d'états excités à moins de 0,7 %. Ce résultat était significatif car il était inférieur à l'équilibre thermique naturel du système, qui se situait à 2,5 %. La vitesse et l'efficacité de cette réinitialisation ont démontré que la commande pouvait manipuler le système avec une haute fidélité sans introduire les erreurs excessives qui accompagnent souvent des opérations aussi rapides.

S'appuyant sur cela, les chercheurs ont encodé un qubit logique en utilisant deux de ces oscillateurs, créant ce que l'on appelle un qubit à double rail. Dans cette configuration, l'information est stockée dans la présence d'un photon unique partagé entre les deux circuits. Si l'un des circuits perd son photon, le système tombe dans un état fondamental qui est facilement détectable, plutôt que de brouiller l'information dans un état inconnu. Cette propriété, appelée biais d'effacement (erasure bias), est très souhaitable car elle transforme une erreur difficile à détecter en une défaillance connue qui peut être écartée ou corrigée. L'équipe a montré que leur schéma de protection dynamique renforçait ce biais d'un facteur quatre. Lorsqu'ils ont effectué des séquences aléatoires d'opérations logiques, connues sous le nom de portes de Clifford, le taux d'erreur par porte a été mesuré à 5,6 × 10⁻⁴. Après avoir filtré les séries où une erasure a été détectée, le taux d'erreur est descendu encore plus bas, à 1,5 × 10⁻⁴. Ces chiffres ont été obtenus avec des temps de porte de seulement 25 nanosecondes, indiquant que le mécanisme de protection ne ralentit pas le calcul.

Le succès de cette expérience suggère que le compromis entre la protection contre le bruit et la vitesse opérationnelle peut être surmonté en exploitant la dépendance en fréquence de la réponse du système. Les chercheurs ont noté que, bien que le taux d'erreur brut soit actuellement limité par la durée de vie naturelle des oscillateurs, le potentiel d'amélioration est substantiel. Ils ont souligné que la configuration actuelle n'utilise qu'un seul contrôle à la fin d'une séquence pour détecter les erasures. En ajoutant un troisième oscillateur pour servir d'ancilla pour des vérifications en milieu de circuit, ils prévoient que les taux d'erreur chuteront encore davantage, permettant potentiellement de résoudre les événements où le système décroît puis se réchauffe à nouveau. Ce travail offre une voie claire pour utiliser des commandes de charge sub-gigahertz afin de protéger l'information quantique, offrant une méthode robuste pour construire des processeurs quantiques de haute fidélité capables de fonctionner efficacement dans l'environnement bruyant d'une puce à l'état solide. Les résultats confirment que la protection dynamique n'est pas seulement une possibilité théorique, mais un outil pratique qui peut être intégré aux architectures supraconductrices existantes pour améliorer leurs performances et leur fiabilité.