Le rayonnement naturel peut interférer avec les détecteurs de matière noire supraconducteurs (vus ici) et les qubits supraconducteurs. Crédit :Timothy Holland, PNNL
L'aspect pratique de l'informatique quantique dépend de l'intégrité du bit quantique, ou qubit.
Qubits, les éléments logiques des ordinateurs quantiques, sont des systèmes cohérents à deux niveaux qui représentent l'information quantique. Chaque qubit a l'étrange capacité d'être dans une superposition quantique, transportant les aspects des deux états simultanément, permettant une version quantique du calcul parallèle. Ordinateurs quantiques, s'ils peuvent être mis à l'échelle pour accueillir de nombreux qubits sur un processeur, pourrait être étonnamment plus rapide, et capable de gérer des problèmes beaucoup plus complexes, que les ordinateurs conventionnels d'aujourd'hui.
Mais tout dépend de l'intégrité d'un qubit, ou combien de temps il peut fonctionner avant que sa superposition et les informations quantiques ne soient perdues - un processus appelé décohérence, ce qui limite finalement le temps d'exécution de l'ordinateur. Les qubits supraconducteurs - une modalité de qubit de premier plan aujourd'hui - ont obtenu une amélioration exponentielle de cette métrique clé, de moins d'une nanoseconde en 1999 à environ 200 microsecondes aujourd'hui pour les appareils les plus performants.
Mais les chercheurs du MIT, Laboratoire MIT Lincoln, et le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont découvert que les performances d'un qubit se heurteront bientôt à un mur. Dans un article publié en La nature , l'équipe signale que le niveau bas, Sinon, le rayonnement de fond inoffensif émis par les oligo-éléments dans les murs en béton et les rayons cosmiques entrants suffisent à provoquer une décohérence en qubits. Ils ont constaté que cet effet, si elle n'est pas atténuée, limitera les performances des qubits à quelques millisecondes.
Compte tenu de la vitesse à laquelle les scientifiques ont amélioré les qubits, ils pourraient heurter ce mur radio-induit en quelques années seulement. Pour surmonter cet obstacle, les scientifiques devront trouver des moyens de protéger les qubits - et tous les ordinateurs quantiques pratiques - des rayonnements de faible niveau, peut-être en construisant les ordinateurs sous terre ou en concevant des qubits tolérants aux effets des radiations.
"Ces mécanismes de décohérence sont comme un oignon, et nous décollons les couches depuis 20 ans, mais il y a une autre couche qui reste inchangée va nous limiter dans quelques années, qui est le rayonnement environnemental, " dit William Oliver, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique et Lincoln Laboratory Fellow au MIT. "C'est un résultat passionnant, parce que cela nous motive à penser à d'autres façons de concevoir des qubits pour contourner ce problème."
L'auteur principal de l'article est Antti Vepsäläinen, un post-doctorat au Laboratoire de recherche en électronique du MIT.
« Il est fascinant de constater à quel point les qubits supraconducteurs sont sensibles au rayonnement faible. Comprendre ces effets dans nos appareils peut également être utile dans d'autres applications telles que les capteurs supraconducteurs utilisés en astronomie, " dit Vepsäläinen.
Les co-auteurs du MIT incluent Amir Karamlou, Akshunna Dogra, Francisca Vasconcelos, Simon Gustavsson, et professeur de physique Joseph Formaggio, avec David Kim, Alexandre Melville, Béthanie Niedzielski, et Jonilyn Yoder au Lincoln Laboratory, et John Orrell, Ben Loer, et Brent Van Devender du PNNL.
Rayonnement naturel sous forme de rayons X, rayons bêta, les rayons cosmiques et les rayons gamma peuvent pénétrer un qubit supraconducteur et interférer avec la cohérence quantique. Crédit :Michael Perkins, PNNL
Un effet cosmique
Les qubits supraconducteurs sont des circuits électriques fabriqués à partir de matériaux supraconducteurs. Ils comprennent des multitudes d'électrons appariés, connu sous le nom de paires de Cooper, qui traversent le circuit sans résistance et travaillent ensemble pour maintenir l'état de superposition ténu du qubit. Si le circuit est chauffé ou autrement perturbé, les paires d'électrons peuvent se diviser en "quasiparticles, " provoquant une décohérence dans le qubit qui limite son fonctionnement.
Il existe de nombreuses sources de décohérence qui pourraient déstabiliser un qubit, tels que les champs magnétiques et électriques fluctuants, l'énérgie thermique, et même des interférences entre qubits.
Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que de très faibles niveaux de rayonnement peuvent avoir un effet déstabilisant similaire sur les qubits.
"J'ai les cinq dernières années, la qualité des qubits supraconducteurs est devenue bien meilleure, et maintenant nous sommes dans un facteur 10 de l'importance des effets des radiations, " ajoute Kim, un membre du personnel technique du MIT Lincoln Laboratotry.
Oliver et Formaggio se sont donc associés pour voir comment ils pourraient déterminer l'effet des rayonnements environnementaux de faible intensité sur les qubits. En tant que physicien des neutrinos, Formaggio possède une expertise dans la conception d'expériences qui protègent contre les plus petites sources de rayonnement, pour pouvoir voir les neutrinos et autres particules difficiles à détecter.
Un travailleur de l'installation de détection de rayonnement ultra-faible du laboratoire souterrain peu profond situé au Pacific Northwest National Laboratory. Crédit :Andrea Starr, PNNL
"L'étalonnage est la clé"
L'équipe, travailler avec des collaborateurs du Lincoln Laboratory et du PNNL, a d'abord dû concevoir une expérience pour calibrer l'impact de niveaux connus de rayonnement sur les performances des qubits supraconducteurs. Pour faire ça, ils avaient besoin d'une source radioactive connue - une source qui devenait moins radioactive assez lentement pour évaluer l'impact à des niveaux de rayonnement essentiellement constants, assez rapidement pour évaluer une gamme de niveaux de rayonnement en quelques semaines, jusqu'au niveau de rayonnement de fond.
Le groupe a choisi d'irradier une feuille de cuivre de haute pureté. Lorsqu'il est exposé à un flux élevé de neutrons, le cuivre produit de grandes quantités de cuivre-64, un isotope instable avec exactement les propriétés souhaitées.
"Le cuivre absorbe juste les neutrons comme une éponge, " dit Formaggio, qui a travaillé avec des opérateurs du Laboratoire des réacteurs nucléaires du MIT pour irradier deux petits disques de cuivre pendant plusieurs minutes. Ils ont ensuite placé l'un des disques à côté des qubits supraconducteurs dans un réfrigérateur à dilution dans le laboratoire d'Oliver sur le campus. À des températures environ 200 fois plus froides que l'espace extra-atmosphérique, ils ont mesuré l'impact de la radioactivité du cuivre sur la cohérence des qubits tandis que la radioactivité diminuait vers les niveaux de fond de l'environnement.
La radioactivité du deuxième disque a été mesurée à température ambiante comme indicateur des niveaux atteignant le qubit. Grâce à ces mesures et simulations associées, l'équipe a compris la relation entre les niveaux de rayonnement et les performances des qubits, celui qui pourrait être utilisé pour déduire l'effet du rayonnement naturel de l'environnement. Sur la base de ces mesures, le temps de cohérence qubit serait limité à environ 4 millisecondes.
"Pas de game over"
L'équipe a ensuite retiré la source radioactive et a démontré que protéger les qubits du rayonnement environnemental améliore le temps de cohérence. Pour faire ça, les chercheurs ont construit un mur de briques de plomb de 2 tonnes qui pouvait être soulevé et abaissé sur un élévateur à ciseaux, pour protéger ou exposer le réfrigérateur aux rayonnements environnants.
"Nous avons construit un petit château autour de ce réfrigérateur, ", dit Olivier.
Toutes les 10 minutes, et sur plusieurs semaines, les étudiants du laboratoire d'Oliver appuyaient alternativement sur un bouton pour soulever ou abaisser le mur, comme un détecteur mesurait l'intégrité des qubits, ou "taux de détente, " une mesure de l'impact du rayonnement environnemental sur le qubit, avec et sans bouclier. En comparant les deux résultats, ils ont effectivement extrait l'impact attribué au rayonnement environnemental, confirmant la prédiction de 4 millisecondes et démontrant que le blindage améliorait les performances des qubits.
"Le rayonnement des rayons cosmiques est difficile à éliminer, " dit Formaggio. " C'est très pénétrant, et traverse tout comme un courant-jet. Si vous allez sous terre, cela devient de moins en moins. Il n'est probablement pas nécessaire de construire des ordinateurs quantiques profondément sous terre, comme les expériences sur les neutrinos, mais peut-être que les sous-sols profonds pourraient probablement faire fonctionner les qubits à des niveaux améliorés. »
Aller sous terre n'est pas la seule option, et Oliver a des idées sur la façon de concevoir des appareils informatiques quantiques qui fonctionnent toujours face au rayonnement de fond.
« Si nous voulons construire une industrie, nous préférerions probablement atténuer les effets du rayonnement au-dessus du sol, " dit Oliver. " Nous pouvons penser à concevoir des qubits d'une manière qui les rend 'rad-hard, ' et moins sensible aux quasiparticules, ou concevoir des pièges pour les quasi-particules de sorte que même si elles sont constamment générées par le rayonnement, ils peuvent s'éloigner du qubit. Donc, ce n'est certainement pas une fin de partie, c'est juste la prochaine couche d'oignon dont nous devons nous occuper."
