L'informatique quantique, une approche pour dériver des informations qui exploite les effets mécaniques quantiques, s'appuie sur des qubits, des unités quantiques d'informations qui peuvent exister dans les superpositions d'États. Pour effectuer efficacement l'informatique quantique, les ingénieurs et les physiciens doivent être en mesure de mesurer efficacement l'état des qubits.
Dans les ordinateurs quantiques basés sur des matériaux supraconducteurs, les qubits sont indirectement mesurés par un soi-disant résonateur de lecture, un circuit qui répond différemment en fonction de l'état d'un qubit. Les réponses de ce circuit sont sondées à l'aide d'une onde électromagnétique faible, qui doit être amplifiée pour permettre sa détection.
Pour amplifier ces signaux, également appelés tons micro-ondes, les ingénieurs technologiques quantiques s'appuient sur des appareils appelés amplificateurs. Les amplificateurs existants, cependant, ont des limitations notables. Les amplificateurs conventionnels peuvent renvoyer un bruit indésirable au qubit, dérangeant son état. Les amplificateurs paramétriques supraconducteurs introduits plus récemment peuvent être très efficaces, mais ils s'appuient conventionnellement sur des composants matériels volumineux et magnétiques qui contrôlent la direction du signal et protègent les qubits contre le bruit de retour.
Des chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie et de l'Université du Colorado ont récemment développé un nouvel appareil qui peut agir à la fois comme amplificateur et convertisseur, amplifiant les signaux électromagnétiques tout en redirigeant les signaux de retour indésirables et en les empêchant d'interagir avec les qubits. Le nouvel appareil, introduit dans un article publié dans Nature électroniquepourrait considérablement simplifier la mesure des qubits, contribuant à la mise à l'échelle des ordinateurs quantiques basés sur les supraconducteurs.
« Cet article consiste à combiner, dans le même dispositif à 2 ports (une entrée, une sortie) la possibilité d'amplifier un signal se propageant de l'entrée à la sortie et de supprimer le même signal se propageant de la sortie à l'entrée », a déclaré Maxime Malnou, premier auteur du document, à Issues.fr. « Une telle fonctionnalité est cruciale dans des systèmes comme les ordinateurs quantiques supraconduants, où vous souhaitez amplifier le signal émis par les qubits, et en même temps protéger ces qubits contre tout backaction revenant de la chaîne de lecture. »
La technique d'amplification utilisée par Malnou et ses collègues est bien établie au sein de la communauté informatique quantique, tandis que la méthode qu'ils employaient pour l'isolement ont été introduites il y a quelques années. Le principal défi pour les auteurs était de démontrer qu'ils pouvaient implémenter de manière fiable à la fois en utilisant un seul appareil.
« Nous utilisons des processus paramétriques pour conduire l'amplification et l'isolement dans l'appareil », a expliqué Malnou. « Un processus paramétrique est une caractéristique d'un système par lequel un composant du système peut être modulé pour ajouter ou convertir de l'énergie dans le système. L'image habituelle pour l'amplification paramétrique (lorsque vous ajoutez de l'énergie) est l'enfant sur un swing: en déplaçant périodiquement son centre de masse, l'enfant peut augmenter son amplitude d'oscillation. »
Le nouveau dispositif électronique développé par les chercheurs intègre une ligne de transmission artificielle, une structure de circuit en inductances et condensateurs à éléments groupés. En utilisant des jonctions de Josephson au lieu d'inductances ordinaires, l'équipe a veillé à ce que la ligne soit non linéaire, ce qui a finalement permis à la fois une amplification et une conversion de fréquence.
« Remarquablement, les processus paramétriques peuvent être rendus directionnels », a déclaré Malnou. « En modulant les jonctions avec de forts tons de pompe à micro-ondes directionnels, les signaux faisant avancer sont amplifiés, tandis que les signaux roulant vers l'arrière sont convertis en une fréquence différente, les empêchant d'atteindre les qubits sensibles. »
Malnou et ses collègues ont finalement pu réaliser à la fois l'amplification des signaux et leur isolement via une conversion de fréquence, le tout dans un seul appareil. Il s'agit d'une réalisation notable, qui a également mis en lumière certains des défis que l'on pourrait rencontrer lors de la combinaison des deux.
« Dans les ordinateurs quantiques supraconducteurs, l'isolement des qubits de l'action arrière de la chaîne de lecture est crucial », a déclaré Malnou. « Ceci est conventionnellement réalisé en utilisant des composants magnétiques passifs. Non seulement ces composants ne sont pas compatibles avec les qubits (qui sont très sensibles à n'importe quel champ magnétique), mais ils sont également volumineux. Néanmoins, ils doivent être placés aussi près que possible des terratures optimales.
À l'avenir, l'amplificateur et le convertisseur développés par Malnou et ses collègues pourraient remplacer les circulateurs et les isolateurs de micro-ondes volumineux précédemment introduits. En principe, le nouveau dispositif est également compatible avec les qubits supraconducteurs et pourrait donc être intégré sur puce avec ces qubits.
« Dans le cadre de nos prochaines études, nous prévoyons de poursuivre plusieurs objectifs », a ajouté Malnou. « La première consiste à comprendre ce qui se passe lorsque vous effectuez une mesure de qubit avec un tel appareil. Un autre est d'affiner la conception de l'appareil pour vous assurer que seuls les deux processus paramétriques que nous letons sont autorisés à se produire dans l'appareil. Enfin, nous explorons également d'autres moyens d'obtenir l'isolement des micro-ondes dans un amplificateur paramétrique d'onde de voyage. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Lisa Lock, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
