Configuration micro-ondes cryogénique utilisée pour les mesures de dispositifs quantiques. Crédit : Qinu GmbH, qinu.de
Les bits quantiques peuvent être décrits plus précisément à l’aide d’harmoniques nouvellement découvertes, comme le rapporte une équipe de 30 chercheurs dans Physique naturelle.
Les physiciens ont découvert que les jonctions tunnel de Josephson – les éléments fondamentaux des ordinateurs quantiques supraconducteurs – sont plus complexes qu’on ne le pensait auparavant. Tout comme les harmoniques d’un instrument de musique, les harmoniques se superposent au mode fondamental. En conséquence, les corrections peuvent conduire à des bits quantiques 2 à 7 fois plus stables. Les chercheurs étayent leurs découvertes par des preuves expérimentales provenant de plusieurs laboratoires du monde entier, notamment l’Université de Cologne, l’Ecole Normale Supérieure de Paris et IBM Quantum de New York.
Une avancée collaborative
Tout a commencé en 2019, lorsque Dennis Willsch et Dennis Rieger – alors deux doctorants du FZJ et du KIT et co-auteurs premiers de l’article – avaient du mal à comprendre leurs expériences utilisant le modèle standard pour les jonctions tunnel Josephson. Ce modèle a valu à Brian Josephson le prix Nobel de physique en 1973.
Hâte d’aller au fond des choses, l’équipe dirigée par Ioan Pop a examiné d’autres données provenant de l’École Normale Supérieure de Paris et d’un appareil de 27 qubits d’IBM Quantum à New York, ainsi que des données d’expériences précédemment publiées. Indépendamment, des chercheurs de l’Université de Cologne ont observé des écarts similaires entre leurs données et le modèle standard.
« Heureusement, Gianluigi Catelani, qui a participé aux deux projets et a réalisé le chevauchement, a réuni les équipes de recherche ! se souvient Dennis Willsch du FZ Jülich. « Le timing était parfait », ajoute Chris Dickel de l’Université de Cologne, « puisque, à cette époque, nous explorions des conséquences très différentes du même problème sous-jacent. »
Partie inférieure : En excitant des circuits supraconducteurs (jaune/bleu) avec des signaux micro-ondes (flèche rouge ondulée), les chercheurs peuvent analyser l’équation fondamentale qui décrit la jonction tunnel Josephson du circuit. Partie droite : Les recherches ont observé des écarts significatifs (courbe rouge) par rapport au modèle standard sinusoïdal (courbe verte). Partie gauche : zoom schématique d’une jonction tunnel composée de deux supraconducteurs (jaune/bleu) avec une fine barrière isolante entre les deux. Les grands canaux de conduction (boucles rouges) peuvent être responsables des écarts observés par rapport au modèle standard. Crédits : Dennis Rieger, Patrick Winkel
Harmoniques dans les bits quantiques
Les jonctions tunnel Josephson sont constituées de deux supraconducteurs séparés par une fine barrière isolante et, depuis des décennies, ces éléments de circuit sont décrits avec un modèle sinusoïdal simple.
Cependant, comme le démontrent les chercheurs, ce « modèle standard » ne parvient pas à décrire pleinement les jonctions Josephson utilisées pour construire les bits quantiques. Au lieu de cela, un modèle étendu incluant des harmoniques supérieures est nécessaire pour décrire le courant tunnel entre les deux supraconducteurs. Le principe se retrouve également dans le domaine de la musique. Lorsque la corde d’un instrument est frappée, la fréquence fondamentale est recouverte de plusieurs harmoniques.
« C’est passionnant de constater que les mesures prises dans la communauté ont atteint le niveau de précision à ce moment-là, nous pourrons apporter ces petites corrections à un modèle considéré comme suffisant depuis plus de 15 ans », remarque Dennis Rieger.
Implications pour l’informatique quantique
Lorsque les quatre professeurs coordonnateurs – Ioan Pop du KIT et Gianluigi Catelani, Kristel Michielsen et David DiVincenzo du FZJ – ont réalisé l’impact de leurs découvertes, ils ont réuni la large collaboration d’expérimentateurs, de théoriciens et de scientifiques des matériaux pour unir leurs efforts dans présentant un argument convaincant en faveur du modèle harmonique de Josephson. Dans la publication Nature Physics, les chercheurs explorent l’origine et les conséquences des harmoniques Josephson.
« En conséquence immédiate, nous pensons que les harmoniques Josephson aideront à concevoir des bits quantiques meilleurs et plus fiables en réduisant les erreurs jusqu’à un ordre de grandeur, ce qui nous rapproche du rêve d’un ordinateur quantique supraconducteur entièrement universel », a déclaré le rapport. concluent deux premiers auteurs.
