Superconducting circuits host two-level systems with lifetimes exceeding one second

Dans la quête de la construction de machines capables de résoudre des problèmes hors de portée des ordinateurs d'aujourd'hui, les scientifiques se tournent vers une forme de matière étrange et délicate : les circuits supraconducteurs. Il s'agit de boucles de métal qui, lorsqu'elles sont refroidies à des températures proches du zéro absolu, permettent à l'électricité de circuler sans aucune résistance. Au sein de ces circuits, les chercheurs créent des atomes artificiels appelés qubits, qui servent d'unités de base de l'information pour les ordinateurs quantiques. Contrairement aux bits d'un ordinateur standard qui sont soit zéro, soit un, un qubit peut exister dans une combinaison des deux états simultanément. Cependant, ces qubits sont incroyablement fragiles. Ils sont constamment bombardés par leur environnement, et la moindre interaction peut provoquer la perte de leurs informations, un processus connu sous le nom de décohérence. Pendant des années, la communauté scientifique a travaillé sans relâche pour protéger ces qubits de leur environnement, espérant prolonger le temps pendant lequel ils peuvent conserver leur état quantique. La croyance dominante était qu'à mesure que les qubits deviendraient plus stables, le bruit de fond de leur environnement finirait par devenir assez calme pour être ignoré.

Une équipe de chercheurs de l'Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne a maintenant remis en question cette hypothèse en découvrant que l'environnement d'un circuit supraconducteur est bien plus persistant que ce que l'on attendait. En utilisant un type spécialisé de circuit supraconducteur connu sous le nom de transmon, composé de métal tantale et refroidi à des températures extrêmes, les scientifiques ont cherché des sources de bruit cachées qui pourraient interférer avec leurs qubits. Ils recherchaient des « systèmes à deux niveaux », qui sont de minuscules défauts dans le matériau pouvant agir comme des interrupteurs miniatures, basculant entre deux états et volant l'énergie du qubit. Bien que ces défauts soient connus depuis un certain temps, les chercheurs ont découvert quelque chose d'extraordinaire : une classe spécifique de ces défauts capable de conserver de l'énergie pendant plus d'une seconde. C'est une durée stupéfiante dans le monde quantique, où les qubits perdent généralement leur état en une fraction de milliseconde.

Pour trouver ces défauts insaisissables, les chercheurs ont employé une technique appelée spectroscopie de corrélation de sauts quantiques. Imaginez l'écoute d'une note jouée sur un violon dans une pièce calme. Si la note s'arrête soudainement, vous pourriez vous demander où est passé le son. Dans cette expérience, le qubit est le violon, et les chercheurs surveillent le moment où il cesse de vibrer, ou « saute vers le bas » vers un état d'énergie plus bas. Habituellement, lorsqu'un qubit perd de l'énergie, cette énergie disparaît définitivement dans l'environnement environnant. Cependant, l'équipe a observé que parfois, après qu'un qubit a perdu un photon d'énergie, cette énergie revenait au qubit après un court délai. Ce retour d'énergie indiquait que l'environnement n'avait pas simplement absorbé l'énergie, mais l'avait temporairement stockée dans un état de longue durée avant de la restituer. En suivant attentivement ces événements, les chercheurs ont pu isoler trois défauts spécifiques qui retenaient l'énergie pendant des durées allant de centaines de millisecondes à plus d'une seconde.

Les chercheurs ont ensuite conçu une nouvelle méthode pour mesurer exactement combien de temps ces défauts pouvaient conserver leur énergie. Ils ont utilisé une stratégie de « pompe-sonde », qui consistait d'abord à exciter le défaut pour le remplir d'énergie, puis à attendre de voir combien de temps il mettrait pour que cette énergie s'échappe. En ajustant la fréquence du qubit pour qu'elle soit légèrement différente de la fréquence du défaut, ils pouvaient contrôler la force de leur interaction. Lorsque l'interaction était faible, ils ont constaté que les défauts conservaient leur énergie pendant des périodes remarquablement longues. En fait, pour deux des défauts étudiés, l'énergie est restée stockée pendant plus d'une seconde. Cela est de plusieurs ordres de grandeur supérieur à la durée de vie du qubit lui-même, qui ne dure généralement qu'environ cent microsecondes. Le fait que ces défauts puissent stocker l'énergie aussi longtemps suggère qu'ils sont exceptionnellement isolés du reste du monde, ce qui les rend incroyablement difficiles à détecter avec les outils de mesure standards.

L'étude a également fourni des indices sur la nature réelle de ces défauts. Les chercheurs ont comparé leurs mesures à un modèle standard utilisé pour décrire comment les atomes ou les molécules se déplacent entre deux positions dans un matériau solide. Ce modèle suggère que les défauts qui se déplacent très lentement et interagissent très faiblement avec leur environnement devraient avoir des durées de vie très longues. Les données de l'expérience correspondent parfaitement à cette prédiction, suggérant que ces défauts à longue durée de vie sont probablement de minuscules imperfections structurelles dans le matériau qui effectuent un effet de tunnel, ou se déplacent, entre deux positions très lentement. Bien que les chercheurs ne puissent pas encore dire exactement quelle est la structure chimique ou physique de ces défauts, les preuves s'éloignent d'autres possibilités, telles que les impuretés magnétiques ou les particules piégées, qui se comporteraient différemment. L'interaction faible entre le qubit et ces défauts, mesurée dans la plage de quelques milliers de cycles par seconde, est cohérente avec l'idée qu'il s'agit de défauts positionnels décrits par ce modèle standard.

Cette découverte change la façon dont les scientifiques perçoivent l'environnement des ordinateurs quantiques. Auparavant, on pensait qu'à mesure que les qubits deviendraient meilleurs, le bruit résiduel serait de courte durée et facile à gérer. Désormais, il semble que le bruit le plus persistant provienne de ces défauts à longue durée de vie qui peuvent stocker de l'énergie pendant des secondes. Cela a des implications importantes pour l'avenir de la correction d'erreurs quantiques, qui est la méthode utilisée pour corriger les erreurs dans les calculs quantiques. Si l'environnement se souvient de l'état du qubit pendant longtemps, il peut créer des modèles d'erreurs complexes, plus difficiles à prédire et à corriger. Cependant, les chercheurs voient aussi un aspect positif potentiel. Parce que ces défauts peuvent conserver l'information quantique pendant si longtemps, ils pourraient un jour être utilisés comme une forme de mémoire au sein d'un circuit quantique. Les chercheurs suggèrent qu'à mesure que les scientifiques amélioreront la qualité de leurs qubits, ils rencontreront probablement encore plus de ces défauts à longue durée de vie, un peu comme un télescope doté de meilleures lentilles révélant des étoiles plus faibles dans le ciel nocturne.

Le travail présenté dans cet article établit un nouveau cadre pour comprendre le monde microscopique à l'intérieur des circuits supraconducteurs. Il prouve que ces circuits peuvent servir de sondes sensibles pour détecter des degrés de liberté microscopiques qui durent des secondes, un intervalle de temps auparavant jugé impossible dans ce contexte. Bien que la nature exacte de ces défauts reste un sujet de recherche ultérieure, la capacité de mesurer leur durée de vie et leur force de couplage constitue une étape cruciale vers leur contrôle. Que ces systèmes à longue durée de vie soient perçus comme une nuisance à éliminer ou comme une ressource à exploiter, leur existence modifie fondamentalement le paysage de la technologie quantique. Les chercheurs ont ouvert la porte à une couche cachée de l'environnement quantique, une couche silencieuse, persistante et pleine de potentiel, tant pour les défis que pour les découvertes.