Une illustration artistique montre comment des bolomètres microscopiques (représentés à droite) peuvent être utilisés pour détecter un très faible rayonnement émis par des qubits (représentés à gauche). Crédit : Aleksandr Käkinen/Université Aalto
Les chercheurs de l’Université Aalto sont les premiers au monde à mesurer les qubits avec des détecteurs thermiques ultrasensibles, évitant ainsi le principe d’incertitude de Heisenberg.
La poursuite d’un nombre de qubits toujours plus élevé dans les ordinateurs quantiques à court terme exige constamment de nouvelles prouesses d’ingénierie.
L’un des obstacles difficiles à surmonter dans cette course à l’intensification est le raffinement de la manière dont les qubits sont mesurés. Des appareils appelés amplificateurs paramétriques sont traditionnellement utilisés pour effectuer ces mesures. Mais comme son nom l'indique, l'appareil amplifie les signaux faibles captés par les qubits pour effectuer la lecture, ce qui provoque un bruit indésirable et peut conduire à une décohérence des qubits s'il n'est pas protégé par des composants de grande taille supplémentaires. Plus important encore, la taille volumineuse de la chaîne d’amplification devient techniquement difficile à contourner à mesure que le nombre de qubits augmente dans les réfrigérateurs de taille limitée.
Mesure de qubit basée sur un bolomètre
Cue le groupe de recherche de l’Université Aalto Quantum Computing and Devices (QCD). Ils ont une longue expérience en matière de démonstration de la manière dont les bolomètres thermiques peuvent être utilisés comme détecteurs ultrasensibles, et ils viennent de le démontrer le 10 avril. Électronique naturelle papier selon lequel les mesures du bolomètre peuvent être suffisamment précises pour une lecture de qubit en une seule fois.
Surmonter le principe d'incertitude de Heisenberg
Au grand dam de nombreux physiciens, le principe d'incertitude de Heisenberg détermine qu'on ne peut pas connaître simultanément la position et l'impulsion d'un signal, ou la tension et le courant, avec précision. Il en va de même pour les mesures de qubits effectuées avec des amplificateurs paramétriques tension-courant. Mais la détection d’énergie bolométrique est un type de mesure fondamentalement différent : elle sert à contourner la fameuse règle de Heisenberg. Puisqu'un bolomètre mesure la puissance, ou photon nombre, il n’est pas obligé d’ajouter du bruit quantique provenant du principe d’incertitude de Heisenberg comme le sont les amplificateurs paramétriques.
L'avantage des nanobolomètres
Contrairement aux amplificateurs, les bolomètres détectent très subtilement les photons micro-ondes émis par le qubit via une interface de détection mini-invasive. Ce facteur de forme est environ 100 fois plus petit que son homologue amplificateur, ce qui le rend extrêmement attractif en tant qu'appareil de mesure.
Évolution et perspectives des mesures quantiques
« Lorsqu’on pense à un avenir quantique suprême, il est facile d’imaginer qu’un nombre élevé de qubits, par milliers, voire par millions, pourrait être monnaie courante. Une évaluation minutieuse de l’empreinte de chaque composant est absolument nécessaire pour cette mise à l’échelle massive. Nous avons montré dans le Électronique naturelle article selon lequel nos nanobolomètres pourraient sérieusement être considérés comme une alternative aux amplificateurs conventionnels », déclare Mikko Möttönen, professeur à l'université Aalto, qui dirige le groupe de recherche QCD.
« Lors de nos toutes premières expériences, nous avons constaté que ces bolomètres étaient suffisamment précis pour une lecture en un seul coup, sans bruit quantique supplémentaire, et qu'ils consommaient 10 000 fois moins d'énergie que les amplificateurs classiques, le tout dans un minuscule bolomètre dont la partie sensible à la température. peut tenir à l’intérieur d’une seule bactérie », explique Möttönen.
La fidélité à un seul coup est une métrique importante que les physiciens utilisent pour déterminer avec quelle précision un appareil peut détecter l'état d'un qubit en une seule mesure, par opposition à une moyenne de plusieurs mesures. Dans le cas des expériences du groupe QCD, ils ont pu obtenir une fidélité en un seul coup de 61,8 % avec une durée de lecture d'environ 14 microsecondes. En corrigeant le temps de relaxation énergétique du qubit, la fidélité grimpe jusqu'à 92,7 %.
Améliorations futures de la lecture bolométrique
« Avec des modifications mineures, nous pourrions nous attendre à voir des bolomètres approcher la fidélité souhaitée de 99,9 % en un seul coup en 200 nanosecondes. Par exemple, nous pouvons remplacer le matériau du bolomètre par du métal. graphène, qui a une capacité thermique inférieure et peut détecter rapidement de très petits changements dans son énergie. Et en supprimant d'autres composants inutiles entre le bolomètre et la puce elle-même, nous pouvons non seulement apporter des améliorations encore plus importantes à la fidélité de lecture, mais nous pouvons également créer un dispositif de mesure plus petit et plus simple qui rend plus réalisable la mise à l'échelle vers des nombres de qubits plus élevés. déclare András Gunyhó, premier auteur de l'article et doctorant dans le groupe QCD.
Avant de démontrer la haute fidélité de lecture en un seul coup des bolomètres dans leur article le plus récent, le groupe de recherche QCD a d'abord montré que les bolomètres pouvaient être utilisés pour des mesures micro-ondes ultrasensibles en temps réel en 2019. Ils ont ensuite publié en 2020 un article dans Nature montrant comment les bolomètres en graphène peuvent réduire les temps de lecture bien en dessous de la microseconde.
Les travaux ont été réalisés au Centre d'excellence du Conseil finlandais de recherche pour la technologie quantique (QTF) en utilisant l'infrastructure de recherche OtaNano en collaboration avec le Centre de recherche technique VTT de Finlande et IQM Quantum Computers. Il a été principalement financé par le Conseil européen de la recherche Advanced Grant ConceptQ et le programme Future Makers de la Fondation Jane et Aatos Erkko et de la Fondation du centenaire des industries technologiques de Finlande.
