Le rendu de cet artiste montre l’architecture des qubits supraconducteurs des chercheurs, avec les qubits de fluxonium en rouge et le coupleur transmon bleu entre eux. Crédit : Krantz Nanoart
Cette avancée rapproche la correction des erreurs quantiques de la réalité.
À l’avenir, les ordinateurs quantiques pourraient être capables de résoudre des problèmes bien trop complexes pour les supercalculateurs les plus puissants d’aujourd’hui. Pour réaliser cette promesse, les versions quantiques des codes de correction d’erreurs doivent être capables de prendre en compte les erreurs de calcul plus rapidement qu’elles ne se produisent.
Cependant, les ordinateurs quantiques actuels ne sont pas encore suffisamment robustes pour réaliser une telle correction d’erreurs à des échelles commercialement pertinentes.
En route pour surmonter cet obstacle, MIT les scientifiques ont démontré une nouvelle architecture de qubits supraconducteurs capable d’effectuer des opérations entre les qubits – les éléments constitutifs d’un ordinateur quantique – avec une efficacité bien supérieure. précision que ce que les scientifiques ont pu réaliser auparavant.
Ils utilisent un type relativement nouveau de qubit supraconducteur, appelé fluxonium, qui peut avoir une durée de vie beaucoup plus longue que les qubits supraconducteurs plus couramment utilisés.
Leur architecture implique un élément de couplage spécial entre deux qubits de fluxonium qui leur permet d’effectuer des opérations logiques, appelées portes, de manière très précise. Il supprime un type d’interaction en arrière-plan indésirable susceptible d’introduire des erreurs dans les opérations quantiques.
Cette approche a permis des portes à deux qubits avec une précision supérieure à 99,9 % et des portes à un seul qubit avec une précision de 99,99 %. De plus, les chercheurs ont implémenté cette architecture sur une puce en utilisant un processus de fabrication extensible.
« La construction d’un ordinateur quantique à grande échelle commence par des qubits et des portes robustes. Nous avons présenté un système à deux qubits très prometteur et présenté ses nombreux avantages en termes de mise à l’échelle. Notre prochaine étape consiste à augmenter le nombre de qubits », explique Leon Ding PhD ’23, étudiant diplômé en physique du groupe Engineering Quantum Systems (EQuS) et auteur principal d’un article sur cette architecture.
Ding a rédigé l’article avec Max Hays, postdoctorant à l’EQuS ; Youngkyu Sung PhD ’22 ; Bharath Kannan PhD ’22, qui est aujourd’hui PDG d’Atlantic Quantum ; Kyle Serniak, scientifique et chef d’équipe au MIT Lincoln Laboratory ; et l’auteur principal William D. Oliver, professeur Henry Ellis Warren de génie électrique, d’informatique et de physique, directeur du Centre d’ingénierie quantique, leader de l’EQuS et directeur associé du Laboratoire de recherche en électronique ; ainsi que d’autres au MIT et au MIT Lincoln Laboratory. La recherche a été publiée le 25 septembre dans la revue Examen physique X.
Aperçu du Fluxonium Qubit
Dans un ordinateur classique, les portes sont des opérations logiques effectuées sur des bits (une série de 1 et de 0) qui permettent le calcul. Portes dans l’informatique quantique peut être considéré de la même manière : une porte à un seul qubit est une opération logique sur un qubit, tandis qu’une porte à deux qubits est une opération qui dépend des états de deux qubits connectés.
La fidélité mesure la précision des opérations quantiques effectuées sur ces portes. Les portes offrant la fidélité la plus élevée possible sont essentielles car les erreurs quantiques s’accumulent de façon exponentielle. Avec des milliards d’opérations quantiques se produisant dans un système à grande échelle, une erreur apparemment minime peut rapidement entraîner la défaillance de l’ensemble du système.
En pratique, on utiliserait des codes correcteurs d’erreurs pour atteindre des taux d’erreur aussi faibles. Cependant, il existe un « seuil de fidélité » que les opérations doivent dépasser pour mettre en œuvre ces codes. De plus, pousser les fidélités bien au-delà de ce seuil réduit la surcharge nécessaire à la mise en œuvre des codes correcteurs d’erreurs.
Depuis plus d’une décennie, les chercheurs ont principalement utilisé des qubits transmon dans leurs efforts de construction d’ordinateurs quantiques. Un autre type de qubit supraconducteur, connu sous le nom de qubit de fluxonium, est apparu plus récemment. Il a été démontré que les qubits de Fluxonium ont une durée de vie ou des temps de cohérence plus longs que les qubits de transmon.
Le temps de cohérence est une mesure de la durée pendant laquelle un qubit peut effectuer des opérations ou exécuter des algorithmes avant que toutes les informations contenues dans le qubit ne soient perdues.
« Plus un qubit dure longtemps, plus les opérations qu’il tend à promouvoir sont fidèles. Ces deux nombres sont liés. Mais il n’est pas clair, même lorsque les qubits de fluxonium eux-mêmes fonctionnent assez bien, si l’on peut réaliser de bonnes portes sur eux », explique Ding.
Pour la première fois, Ding et ses collaborateurs ont trouvé un moyen d’utiliser ces qubits à durée de vie plus longue dans une architecture capable de prendre en charge des portes extrêmement robustes et haute fidélité. Dans leur architecture, les qubits de fluxonium étaient capables d’atteindre des temps de cohérence supérieurs à une milliseconde, soit environ 10 fois plus longs que les qubits transmon traditionnels.
« Au cours des deux dernières années, il y a eu plusieurs démonstrations montrant que le fluxonium surpassait les transmons au niveau d’un seul qubit », explique Hays. « Nos travaux montrent que cette amélioration des performances peut également être étendue aux interactions entre qubits. »
Les qubits de fluxonium ont été développés en étroite collaboration avec le laboratoire MIT Lincoln (MIT-LL), qui possède une expertise dans la conception et la fabrication de technologies de qubits supraconducteurs extensibles.
« Cette expérience était exemplaire de ce que nous appelons le » modèle à une équipe « : la collaboration étroite entre le groupe EQuS et l’équipe des qubits supraconducteurs du MIT-LL », explique Serniak. « Il convient de souligner ici spécifiquement la contribution de l’équipe de fabrication du MIT-LL : ils ont développé la capacité de construire des réseaux denses de plus de 100 jonctions Josephson spécifiquement pour les fluxoniums et d’autres nouveaux circuits qubits. »
Architecture quantique innovante
Leur nouvelle architecture implique un circuit comportant deux qubits de fluxonium à chaque extrémité, avec un coupleur transmon accordable au milieu pour les relier. Cette architecture fluxonium-transmon-fluxonium (FTF) permet un couplage plus fort que les méthodes qui connectent directement deux qubits de fluxonium.
FTF minimise également les interactions indésirables qui se produisent en arrière-plan lors des opérations quantiques. En règle générale, des couplages plus forts entre qubits peuvent conduire à davantage de ce bruit de fond persistant, appelé interactions ZZ statiques. Mais l’architecture FTF remédie à ce problème.
La capacité de supprimer ces interactions indésirables et les temps de cohérence plus longs des qubits de fluxonium sont deux facteurs qui ont permis aux chercheurs de démontrer une fidélité de porte à un qubit de 99,99 % et une fidélité de porte à deux qubits de 99,9 %.
Ces fidélités de porte sont bien supérieures au seuil nécessaire pour certains codes correcteurs d’erreurs courants et devraient permettre la détection d’erreurs dans des systèmes à plus grande échelle.
« La correction d’erreurs quantiques renforce la résilience du système grâce à la redondance. En ajoutant davantage de qubits, nous pouvons améliorer les performances globales du système, à condition que les qubits soient individuellement « assez bons ». Pensez à essayer d’accomplir une tâche avec une salle remplie d’enfants de maternelle. C’est beaucoup de chaos, et ajouter davantage d’enfants en maternelle n’améliorera pas les choses », explique Oliver. « Cependant, le fait que plusieurs étudiants diplômés adultes travaillent ensemble mène à des performances qui dépassent celles de chacun des individus — c’est le concept de seuil. Bien qu’il reste encore beaucoup à faire pour construire un ordinateur quantique extensible, cela commence par des opérations quantiques de haute qualité bien au-dessus du seuil.
S’appuyant sur ces résultats, Ding, Sung, Kannan, Oliver et d’autres ont récemment fondé une startup d’informatique quantique, Atlantic Quantum. La société cherche à utiliser les qubits de fluxonium pour construire un ordinateur quantique viable pour des applications commerciales et industrielles.
« Ces résultats sont immédiatement applicables et pourraient changer l’état de l’ensemble du domaine. Cela montre à la communauté qu’il existe une autre voie à suivre. Nous croyons fermement que cette architecture, ou quelque chose comme celle-ci utilisant des qubits de fluxonium, est très prometteuse en termes de construction d’un ordinateur quantique utile et tolérant aux pannes », déclare Kannan.
Même si un tel ordinateur ne sera probablement pas disponible avant 10 ans, cette recherche constitue un pas important dans la bonne direction, ajoute-t-il. Ensuite, les chercheurs prévoient de démontrer les avantages de l’architecture FTF dans les systèmes comportant plus de deux qubits connectés.
« Ce travail ouvre la voie à une nouvelle architecture pour coupler deux qubits de fluxonium. Les fidélités de porte obtenues sont non seulement les meilleures jamais enregistrées pour le fluxonium, mais également comparables à celles des transmons, le qubit actuellement dominant. Plus important encore, l’architecture offre également un haut degré de flexibilité dans la sélection des paramètres, une fonctionnalité essentielle pour passer à un processeur fluxonium multi-qubits », déclare Chunqing Deng, chef de l’équipe quantique expérimentale au laboratoire quantique de la DAMO Academy, l’équipe d’Alibaba. institution de recherche mondiale, qui n’a pas participé à ce travail. « Pour ceux d’entre nous qui croient que le fluxonium est un qubit fondamentalement meilleur que le transmon, ce travail constitue une étape passionnante et encourageante. Cela galvanisera non seulement le développement des processeurs fluxonium mais aussi plus généralement celui des qubits alternatifs aux transmons.
Ce travail a été financé en partie par le Bureau de recherche de l’armée américaine, le sous-secrétaire américain à la Défense pour la recherche et l’ingénierie, une bourse de doctorat IBM, la Fondation coréenne pour les études avancées et le programme de bourses d’études supérieures en sciences et en ingénierie de la défense nationale des États-Unis.
