High-fidelity and robust controlled-Z gates for superconducting transmon qubits. II. System-parameter uncertainties and overall errors

Dans la course pour construire une machine capable de résoudre des problèmes hors de portée des ordinateurs les plus puissants d'aujourd'hui, les scientifiques se tournent vers une technologie qui repose sur les règles étranges de la mécanique quantique. Au cœur de cet effort se trouvent de minuscules circuits faits de métal supraconducteur, refroidis à des températures plus froides que l'espace profond. Ces circuits agissent comme des atomes artificiels, connus sous le nom de qubits, qui peuvent maintenir l'information dans un état de superposition, existant dans plusieurs possibilités à la fois. Pour rendre ces machines utiles, les qubits doivent communiquer entre eux, effectuant des opérations logiques qui lient leurs états. L'une des opérations les plus critiques est une porte qui inverse l'état d'un qubit uniquement si son partenaire se trouve dans une condition spécifique, un processus connu sous le nom de porte contrôlée-Z (controlled-Z). Pour qu'un ordinateur quantique fonctionne de manière fiable, ces portes doivent être incroyablement rapides et incroyablement précises. Cependant, le monde physique est désordonné. Les matériaux utilisés pour construire ces circuits ne sont jamais parfaits, et l'environnement n'est jamais parfaitement immobile. De minuscules variations dans la fabrication des qubits, ou de légères dérives de leurs fréquences au fil du temps, peuvent faire échouer la porte. Si un ordinateur nécessite une connaissance parfaite de chaque composant pour fonctionner, il sera impossible de passer à l'échelle des milliers de qubits nécessaires pour des applications réelles. Le défi consiste donc non seulement à construire une porte rapide, mais à en construire une suffisamment robuste pour continuer à fonctionner même lorsque le matériel est légèrement imparfait ou que les conditions changent.

Une équipe de chercheurs a développé une nouvelle stratégie pour résoudre ce problème, créant une méthode pour concevoir ces portes quantiques afin qu'elles puissent résister aux incertitudes inévitables du monde physique. Dans une étude complémentaire, ils avaient déjà déterminé comment rendre ces portes rapides et résistantes au bruit aléatoire de l'environnement. Dans ce nouveau travail, ils ont tourné leur attention vers l'autre côté du problème : l'incertitude du matériel lui-même. Ils se sont demandé ce qui se passe si la force de la connexion entre deux qubits n'est pas exactement celle que les ingénieurs pensaient, ou si les fréquences naturelles des qubits sont légèrement décalées en raison de différences de fabrication. Ils ont découvert que ces erreurs se répartissent en deux catégories distinctes, chacune nécessitant un type de défense différent. Un type d'erreur provient de la force du lien entre les qubits, tandis que l'autre provient des erreurs dans les niveaux d'énergie des qubits eux-mêmes. En traitant ces deux problèmes séparément, l'équipe a conçu des impulsions de contrôle — des séquences précises de signaux magnétiques — qui pourraient neutraliser les deux types d'erreurs simultanément.

Les chercheurs ont découvert que les erreurs liées à la force de la connexion pouvaient être supprimées en modulant rapidement la fréquence des qubits. Imaginez que l'on secoue un objet lourd d'avant en arrière très rapidement pour l'empêcher de se stabiliser dans une position où il pourrait basculer ; de la même manière, en faisant osciller les fréquences des qubits, le système compense efficacement les erreurs causées par une force de connexion imprécise. Cette technique, connue sous le nom de découplage dynamique, leur a permis de réduire l'erreur causée par les incertitudes de couplage à un niveau de 6,21 × 10⁻⁷ pour une porte dont l'exécution prend 30 nanosecondes. Il s'agit d'une amélioration massive par rapport aux méthodes standards, qui échoueraient dans les mêmes conditions. Avec cette stratégie, la porte peut tolérer des variations de la force de connexion allant jusqu'à 2π × 4 MHz tout en maintenant un haut niveau de précision. Cela signifie que les ingénieurs n'ont pas besoin de mesurer la connexion entre chaque paire de qubits avec une précision extrême, ni de recalibrer constamment le système à mesure que le matériel dérive.

Le second type d'erreur, provenant des incertitudes des niveaux d'énergie des qubits, nécessitait une approche différente. Au lieu de secouer le système, les chercheurs ont identifié un « point idéal » (sweet spot) où la porte opère. Ils ont identifié un point où le désaccord (detuning), ou la différence de fréquence entre les qubits, est équilibré de telle sorte que la porte soit insensible aux petits décalages d'énergie. En opérant près de ce point symétrique, la porte devient naturellement résistante aux erreurs d'anharmonicité et de fréquences de flux nul des qubits. Pour une porte d'une durée de 24 nanosecondes, cette méthode permet au système de tolérer des incertitudes individuelles allant jusqu'à 2π × 5 MHz dans ces paramètres. Cette découverte est cruciale car elle montre qu'en choisissant le bon point de fonctionnement, la porte peut rester précise même si le matériel n'est pas parfaitement caractérisé.

L'équipe ne s'est pas arrêtée à l'examen de ces erreurs de manière isolée. Ils ont combiné leurs nouvelles stratégies de robustesse avec leurs travaux précédents sur le bruit et la décohérence pour simuler la performance de ces portes à travers six étapes différentes d'amélioration du matériel. Ils ont imaginé un futur où les matériaux s'améliorent, où le bruit diminue et où les incertitudes rétrécissent. Dans les premières étapes, où le matériel est plus bruyant et moins stable, la meilleure stratégie est de rendre la porte aussi rapide que possible, même si elle est légèrement moins robuste, car le temps passé en fonctionnement expose le système à trop de bruit environnemental. Cependant, à mesure que le matériel s'améliore et que le bruit diminue, l'équilibre change. Les chercheurs ont découvert que, dans des étapes plus avancées, il devient préférable de prendre un peu plus de temps pour exécuter une porte plus longue et plus robuste. À l'étape la plus avancée qu'ils ont considérée, où le matériel est hautement raffiné, leur porte optimisée a atteint une erreur intrinsèque de 1,93 × 10⁻⁸ et une erreur totale de 4,55 × 10⁻⁶. À ce niveau, les erreurs restantes sont principalement limitées par la perte d'énergie naturelle des qubits, une limite physique fondamentale.

Ce travail fournit une feuille de route pratique pour la construction de processeurs quantiques à grande échelle. Il démontre qu'en concevant les impulsions de contrôle pour qu'elles soient intrinsèquement moins sensibles aux variations de paramètres, les scientifiques peuvent réduire la charge de calibration. Au lieu de devoir mesurer et ajuster chaque composant avec une précision extrême, ce qui devient impossible à mesure que le nombre de qubits atteint des milliers, le système peut être conçu pour fonctionner efficacement sur une plage de conditions. Les portes résultantes sont plus rapides, plus précises et beaucoup plus indulgentes face aux imperfections liées à la fabrication réelle. En équilibrant vitesse, fidélité et robustesse, ce cadre offre une voie pour faire des ordinateurs quantiques non plus seulement des possibilités théoriques, mais des outils pratiques pouvant être maintenus et exploités de manière fiable.