Visualisation de la pointe du microscope exposant le matériau à la lumière térahertz. Les couleurs sur le matériau représentent les données de diffusion de la lumière et les lignes rouges et bleues représentent les ondes térahertz. Crédit : Laboratoire national Ames du Département américain de l’énergie
Les scientifiques ont utilisé le microscope térahertz SNOM pour détecter les défauts l’informatique quantique circuits, en particulier dans le nano Josephson Junction. Il est essentiel de remédier à ces défauts pour optimiser les capacités de traitement plus rapides de l’informatique quantique.
Les chercheurs ont utilisé un nouvel outil pour améliorer un composant clé des circuits informatiques quantiques produits commercialement. L’équipe de scientifiques du laboratoire national Ames du ministère américain de l’Énergie (DOE), en partenariat avec le Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS), un centre national de recherche sur les sciences de l’information quantique du DOE dirigé par Fermilab, a utilisé le microscope térahertz SNOM, développé à l’origine. à Ames Lab, pour étudier l’interface et la connectivité d’une nano Josephson Junction (JJ).
Le JJ, un composant clé des ordinateurs quantiques supraconducteurs, a été fabriqué par Rigetti Computing, un partenaire de SQMS. Le JJ génère efficacement un système à deux niveaux à très basse température cryogénique qui produit un bit quantique. Les images qu’ils ont obtenues avec le microscope térahertz ont révélé une limite défectueuse dans la nano-jonction qui provoque une perturbation de la conductivité et constitue un défi pour produire les longs temps de cohérence nécessaires au calcul quantique.
Comprendre les qubits
Les ordinateurs quantiques sont constitués de bits quantiques ou qubits. Les qubits fonctionnent de la même manière que les bits d’un ordinateur numérique. Les bits sont la plus petite unité de données qu’un ordinateur peut traiter et stocker. Les bits sont binaires, ce qui signifie qu’il n’y a que deux états possibles dans lesquels ils peuvent exister, soit un 0, soit un 1. Les qubits, cependant, existent simultanément sous la forme de 0 et de 1 dans leur état quantique, ce qui permet aux ordinateurs quantiques de traiter davantage de bits. informations plus rapidement que les ordinateurs couramment utilisés aujourd’hui.
L’image térahertz SNOM ci-dessus montre la concentration du champ électrique (la couleur la plus claire) et l’asymétrie (la couleur claire par rapport à la couleur sombre des deux côtés), indiquant un problème de connectivité. L’image de microscopie électronique à transmission ci-dessous confirme la déconnexion de la jonction (l’espace spatial). Crédit : Laboratoire national Ames du Département américain de l’énergie
De meilleurs qubits dans un ordinateur quantique résident dans la compréhension de la fonction d’une nano Jonction Josephson (JJ), le composant examiné par l’équipe. Jigang Wang, scientifique du Ames Lab et chef de l’équipe de recherche, a expliqué que ce JJ facilite le flux de supercourant à travers le circuit à température cryogénique, ce qui permet aux qubits d’exister dans leur état quantique. Il est important que ce flux reste uniforme et non dissipatif pour maintenir la cohérence du système.
Défis et avancées
« Les composants structurels complexes des circuits quantiques conduisent souvent à une concentration locale du champ électrique, ce qui provoque une diffusion et une dissipation d’énergie et, finalement, une décohérence », a expliqué Wang. « La question qui se pose actuellement au secteur de l’informatique quantique est de savoir comment atténuer la décohérence. »
Wang et son équipe ont utilisé un microscope optique à champ proche (SNOM) à balayage térahertz précédemment développé au laboratoire Ames pour prendre des images du JJ sous couplage de champ électromagnétique. Ce microscope utilise une pointe spéciale qui améliore la résolution du microscope au à l’échelle nanométrique, sans pratiquement toucher ni affecter de quelque manière que ce soit le composant de jonction. À l’aide de ce microscope, l’équipe a enregistré des images du JJ. Si le composant de jonction est fabriqué correctement, les images résultantes montreront un champ électrique constant à travers le composant. Cependant, l’équipe a découvert une déconnexion entre deux parties du carrefour (voir image ci-dessus).
Wang a expliqué que cette découverte était importante pour deux raisons. Premièrement, il a identifié un problème avec la fabrication de JJ, que Rigetti peut désormais résoudre, améliorant ainsi la qualité de son circuit quantique. Deuxièmement, cela prouve que le microscope térahertz développé au laboratoire Ames est un outil utile pour le criblage à haut débit des composants de circuits quantiques.
« Cette recherche démontre que ce SNOM térahertz est un outil idéal que nous pouvons utiliser pour visualiser la distribution hétérogène du champ électrique », a déclaré Wang. « Et cela permet une identification non destructive et sans contact des limites effectives de cette nano-jonction. C’est extrêmement précis à l’échelle nanométrique.
Capacités du microscope et objectifs futurs
Les circuits quantiques fonctionnent normalement à ces températures cryogéniques extrêmement basses. L’équipe de Wang a précédemment démontré que le microscope térahertz SNOM peut fonctionner à des températures extrêmement basses : « Le but ultime de cette recherche est donc de continuer à pousser cette machine cryogénique térahertz SNOM extrême pour pouvoir atteindre cette température ultra-basse afin de pouvoir suivre le tunneling supercourant en temps réel et dans l’espace réel d’un qubit fonctionnel », a-t-il déclaré.
Wang a souligné que les avancées de ce projet n’auraient pas été possibles si Ames Lab n’avait pas été membre de la communauté SQMS. « Cela a été vraiment un privilège de travailler avec eux et de contribuer en tant que communauté à faire avancer les choses. Il fallait tout un village pour réellement résoudre ce type de problème technologique et scientifique très complexe. Et il a été vraiment très important d’avoir cette équipe polyvalente », a déclaré Wang. «Je suis également très heureux qu’en tant que membre d’Ames Lab, nous contribuions de manière importante au centre SQMS et à l’initiative quantique nationale.»
