À l'avenir, les ordinateurs quantiques pourraient rapidement simuler de nouveaux matériaux ou aider les scientifiques à développer des modèles d'apparition de machines plus rapides, ouvrant la porte à de nombreuses nouvelles possibilités.
Mais ces applications ne seront possibles que si les ordinateurs quantiques peuvent effectuer des opérations extrêmement rapidement, afin que les scientifiques puissent effectuer des mesures et effectuer des corrections avant que les taux d'erreur de composition ne réduisent leur précision et leur fiabilité.
L'efficacité de ce processus de mesure, connu sous le nom de lecture, repose sur la force du couplage entre les photons, qui sont des particules de lumière qui transportent des informations quantiques et des atomes artificiels, des unités de matière qui sont souvent utilisées pour stocker des informations dans un ordinateur quantique.
Maintenant, les chercheurs du MIT ont démontré ce qu'ils croient être le couplage de la lumière non linéaire le plus fort jamais réalisé dans un système quantique. Leur expérience est une étape vers la réalisation des opérations quantiques et des lectures qui pourraient être effectuées dans quelques nanosecondes. La recherche apparaît dans Communications de la nature.
Les chercheurs ont utilisé une nouvelle architecture de circuit supraconductrice pour montrer un couplage d'éclairage non linéaire qui représente un ordre de grandeur plus fort que les démonstrations antérieures, ce qui pourrait permettre à un processeur quantique d'exécuter environ 10 fois plus rapide.
Il y a encore beaucoup de travail à faire avant que l'architecture puisse être utilisée dans un véritable ordinateur quantique, mais démontrer la physique fondamentale derrière le processus est une étape majeure dans la bonne direction, explique Yufeng « Bright » Ye Ph.D., auteur principal d'un article sur cette recherche.
« Cela éliminerait vraiment l'un des goulots d'étranglement de l'informatique quantique. Habituellement, vous devez mesurer les résultats de vos calculs entre les cycles de correction d'erreurs.
Il est rejoint dans le document par l'auteur principal Kevin O'Brien, professeur agrégé et chercheur principal dans le Laboratoire de recherche sur l'électronique du MIT qui dirige le groupe d'électronique cohérent quantique dans le département de génie électrique et l'informatique (EECS), ainsi que d'autres au MIT, au MIT Lincoln Laboratory et à la Harvard University.
Un nouveau coupleur
Cette démonstration physique s'appuie sur des années de recherche théorique dans le groupe O'Brien.
Après vous, vous avez rejoint le laboratoire en tant que doctorat. Étudiant en 2019, il a commencé à développer un détecteur de photons spécialisé pour améliorer le traitement de l'information quantique.
Grâce à ce travail, il a inventé un nouveau type de coupleur quantique, qui est un appareil qui facilite les interactions entre les qubits. Les qubits sont les éléments constitutifs d'un ordinateur quantique. Ce soi-disant coupleur de quarton avait tant d'applications potentielles dans les opérations quantiques et la lecture qu'elle est rapidement devenue un objectif du laboratoire.
Ce coupleur de quarton est un type spécial de circuit supraconducteur qui a le potentiel de générer un couplage non linéaire extrêmement fort, ce qui est essentiel pour exécuter la plupart des algorithmes quantiques. Alors que les chercheurs alimentent le coupleur, cela crée une interaction non linéaire encore plus forte. En ce sens, la non-linéarité signifie qu'un système se comporte d'une manière supérieure à la somme de ses parties, présentant des propriétés plus complexes.
« La plupart des interactions utiles dans l'informatique quantique proviennent d'un couplage non linéaire de la lumière et de la matière. Si vous pouvez obtenir une gamme plus polyvalente de différents types de couplage et augmenter la résistance du couplage, vous pouvez essentiellement augmenter la vitesse de traitement de l'ordinateur quantique », explique Ye.
Pour la lecture quantique, les chercheurs éclairent la lumière micro-ondes sur un qubit, puis, selon que ce qubit est dans l'état 0 ou 1, il y a un décalage de fréquence sur son résonateur de lecture associé. Ils mesurent ce changement pour déterminer l'état du qubit.
Le couplage de la lumière non linéaire entre le qubit et le résonateur permet ce processus de mesure.
Les chercheurs du MIT ont conçu une architecture avec un coupleur de quarton connecté à deux qubits supraconducteurs sur une puce. Ils transforment un qubit en résonateur et utilisent l'autre qubit comme atome artificiel qui stocke les informations quantiques. Ces informations sont transférées sous forme de particules de lumière micro-ondes appelés photons.
« L'interaction entre ces atomes artificiels supraconducteurs et la lumière micro-ondes qui achemine le signal est essentiellement la construction d'un ordinateur quantique supraconducteur », explique Ye.
Permettre une lecture plus rapide
Le coupleur de quarton crée un couplage de lumière non linéaire entre le qubit et le résonateur qui est à peu près à un ordre de grandeur plus fort que les chercheurs n'avaient atteint auparavant. Cela pourrait permettre un système quantique avec une lecture rapide.
« Ce travail n'est pas la fin de l'histoire. C'est la démonstration de physique fondamentale, mais il y a du travail dans le groupe maintenant pour réaliser une lecture très rapide », explique O'Brien.
Cela impliquerait d'ajouter des composants électroniques supplémentaires, tels que des filtres, pour produire un circuit de lecture qui pourrait être incorporé dans un système quantique plus grand.
Les chercheurs ont également démontré un couplage de matière extrêmement forte, un autre type d'interaction Qubit qui est important pour les opérations quantiques. C'est un autre domaine qu'ils prévoient d'explorer avec des travaux futurs.
Les opérations rapides et la lecture sont particulièrement importantes pour les ordinateurs quantiques car les qubits ont une durée de vie finie, un concept appelé temps de cohérence.
Un couplage non linéaire plus fort permet à un processeur quantique d'exécuter plus rapidement et avec une erreur plus faible, de sorte que les Qubits peuvent effectuer plus d'opérations dans le même temps. Cela signifie que les Qubits peuvent effectuer plus de cycles de correction d'erreur au cours de leur durée de vie.
« Plus vous pouvez obtenir de correction d'erreur, plus l'erreur sera inférieure dans les résultats », explique Ye.
À long terme, ce travail pourrait aider les scientifiques à construire un ordinateur quantique tolérant aux défauts, qui est essentiel pour le calcul quantique pratique à grande échelle.
