Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour mieux comprendre et atténuer le bruit quantique, qui perturbe le fonctionnement des qubits. Cette innovation pourrait améliorer la fiabilité des technologies de calcul et de détection quantiques en fournissant une analyse et un contrôle plus détaillés du bruit.
Un effort de collaboration entre physiciens et chimistes de l’Université du Colorado a conduit au développement de la spectroscopie de bruit à transformée de Fourier. Cette méthode simplifie le processus d'analyse du bruit quantique, facilitant ainsi les progrès dans l'informatique quantique et la détection.
Le « bruit » est l’un des plus grands défis de la technologie quantique et de la détection quantique. Ces perturbations environnementales apparemment aléatoires peuvent perturber les états quantiques délicats des qubits, les unités fondamentales de l’information quantique.
En approfondissant cette question, Shuo Sun, chercheur associé de JILA et professeur adjoint de physique à Boulder à l'Université du Colorado, a récemment collaboré avec Andrés Montoya-Castillo, professeur adjoint de chimie (également à CU Boulder), et son équipe pour développer une nouvelle méthode permettant de mieux comprendre et contrôler ce bruit, ouvrant potentiellement la voie à des progrès significatifs dans l’informatique, la détection et le contrôle quantiques. Leur nouvelle méthode, qui utilise une technique mathématique appelée transformée de Fourier, a été publiée récemment dans la revue npj Informations quantiques.
Les problèmes liés au bruit
Si certaines sources de bruit, comme la musique, peuvent être agréables, d’autres, comme les bruits de la circulation ou d’une ville animée, peuvent être distrayantes et même entraîner des problèmes de santé au fil du temps. Au niveau microscopique, le bruit peut également poser des problèmes importants. Même les plus petites fluctuations de la température ambiante ou des vibrations du sol, ou l'instabilité inhérente du système de qubits, peuvent perturber la cohérence d'un qubit, lui faisant perdre son état quantique dans un processus appelé décohérence.
« De nombreuses technologies quantiques qui intéressent beaucoup les gens, comme les ordinateurs quantiques et les capteurs quantiques, sont confrontées à une limitation pratique, à savoir leur mise en œuvre à plus grande échelle avec une sensibilité plus élevée », explique l'étudiant diplômé de CU Boulder Physics et co-premier auteur de l'article. , Nanako Shitara, qui travaille dans le groupe de Montoya-Castillo. « Ces systèmes quantiques, ou qubits, sont en effet très sensibles aux fluctuations des champs environnants et interagissent souvent les uns avec les autres. »
Comparaison de deux méthodes de spectroscopie de bruit d'environnements qubits. Le FTNS du groupe Sun surpasse largement les méthodes DDNS actuelles. Crédit : Steven Burrows/groupe Sun
Non seulement le bruit affecte les mesures de systèmes fragiles comme un capteur quantique ultra-précis, mais il peut également rendre le système moins gérable.
Shitara précise : « Le problème devient une question de contrôle : vous voulez contrôler la façon dont un qubit réagit à certains types de bruit. Fondamentalement, vous voulez qu’il réagisse très bien aux bons signaux tout en ignorant les autres sources de bruit.
Comprendre les sources de ce bruit et trouver des moyens de les atténuer est crucial pour développer des dispositifs quantiques fiables, tels que des ordinateurs ou des capteurs quantiques.
« Comprendre l'environnement sonore d'un qubit est non seulement important pour l'atténuation du bruit, mais constitue également une sonde précieuse pour les matériaux », explique Sun. « Dans ce dernier cas, le qubit agit comme un capteur, fournissant des informations sur le comportement de l'environnement matériel environnant. »
Caractérisation traditionnelle du bruit
Pour étudier et contrôler ce bruit, les scientifiques ont traditionnellement utilisé une méthode appelée spectroscopie de bruit à découplage dynamique (DDNS). Cette méthode consiste à appliquer des impulsions précises aux qubits et à observer leur réaction.
« Le découplage dynamique était à l'origine, et est toujours, utilisé pour allonger les temps de cohérence des qubits », ajoute Shitara. « Il s'avère que si vous appliquez des impulsions lumineuses très courtes sur un qubit qui interagit avec son environnement, de manière périodique… (cela) aide la cohérence du qubit à survivre plus longtemps grâce à une sorte de découplage efficace. »
Plus récemment, le découplage dynamique a été réutilisé comme méthode de spectroscopie du bruit (d'où le DDNS) pour mesurer et caractériser le bruit entre les qubits. Bien qu’efficace, le DDNS est complexe et nécessite l’application d’un grand nombre d’impulsions laser presque instantanées. Elle nécessite également plusieurs hypothèses sur les processus de bruit sous-jacents, ce qui la rend lourde et moins pratique pour une utilisation généralisée.
Shitara a expliqué que la méthode DDNS a des limites de fréquence minimales et maximales pour la reconstruction du spectre de bruit en raison de contraintes physiques, ce qui peut amener les scientifiques à manquer des phénomènes intéressants. « Vous pouvez voir que la fréquence la plus basse à laquelle ils reconstruisent le spectre peut être en réalité assez élevée, en fonction de la mise en œuvre », ajoute-t-elle.
En examinant les défis du DDNS, Shitara, Sun, Montoya-Castillo et le chercheur postdoctoral de CU Boulder, Arian Vezvaee, ont proposé une nouvelle méthode nécessitant moins d'impulsions laser et utilisant une technique mathématique connue sous le nom de transformée de Fourier.
Transformer les cartes de bruit
La nouvelle méthode, la spectroscopie de bruit par transformée de Fourier (FTNS), offre un moyen simple, mais puissant, d'analyser le bruit affectant les qubits en se concentrant sur la dynamique de cohérence des qubits. La cohérence mesure dans quelle mesure un qubit maintient son état quantique, ce qui est essentiel pour ses performances dans les calculs quantiques. Ces mesures sont généralement effectuées au moyen d'expériences simples telles que la désintégration par induction libre (FID) ou l'écho de spin (SE), qui démarrent le qubit dans un état initial spécifique et laissent sa cohérence se dégrader librement au fil du temps, avec zéro ou une impulsion intermédiaire appliquée pendant la désintégration. , respectivement.
Une fois ces mesures temporelles collectées, les données sont traitées à l'aide de la transformée de Fourier. Ce processus revient à décomposer une peinture numérique en son spectre de couleurs de base, pixel par pixel, pour comprendre les unités de couleur qui la composent. Les unités se transforment de pixels en valeurs de couleur grâce à ce processus.
Dans cet article, les chercheurs ont utilisé la transformée de Fourier pour convertir les données du domaine temporel en données du domaine fréquentiel, décomposant ainsi efficacement le signal complexe en ses fréquences constitutives. Ce faisant, FTNS a révélé le spectre du bruit, montrant quelles fréquences de bruit étaient présentes et quelle était leur intensité. Les chercheurs ont découvert que la méthode FTNS traitait également divers types de bruit, y compris des modèles de bruit complexes qui étaient difficiles à déchiffrer pour d’autres méthodes comme le DDNS.
Bien qu'il s'agisse d'une méthode plus rationalisée, la FTNS présente certaines limites, telles que des contraintes de fréquence minimale et maximale et la nécessité de mesures de temps et de cohérence à haute résolution. Cependant, les chercheurs ont démontré que ces limites sont bien moins contraignantes que celles de la spectroscopie de bruit à découplage dynamique.
Sun et son équipe de JILA testent actuellement expérimentalement la méthode FTNS dans des centres de vacance d'azote, souvent présents dans les diamants synthétiques utilisés comme qubits. Simultanément, Joe Zadrozny, professeur agrégé de chimie à l'Ohio State University, et son équipe travaillent à la mise en œuvre du FTNS dans les qubits moléculaires et les aimants.
« Nous sommes très enthousiasmés par la capacité de notre méthode à révéler la conversation résolue en fréquence entre un qubit ou un capteur et son environnement, et encore plus par les nouvelles opportunités qu'elle offre », a expliqué Montoya-Castillo. « Du point de vue de la détection, nous travaillons à déterminer comment FTNS peut montrer des processus physiques difficiles à voir à proximité d'un capteur, qu'il s'agisse d'un centre de couleur dans un cristal, comme des lacunes d'azote dans le diamant, des ions piégés ou des aimants moléculaires. Il s’agit d’une frontière passionnante, car les capteurs quantiques peuvent permettre l’imagerie de processus biologiques complexes, comme le repliement des protéines, avec des détails et une résolution temporelle sans précédent.
Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation et la Sloan Research Fellowship.
