Le nouveau thermomètre quantique sur puce, au premier plan. C'est probablement le thermomètre le plus rapide et le plus sensible au monde pour mesurer la température à l'extrémité froide d'un guide d'ondes à l'échelle du millikelvin, selon les chercheurs de Chalmers. Crédit :Claudia Castillo Moreno/Université de technologie de Chalmers
Chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, Göteborg, Suède, ont développé un nouveau type de thermomètre qui peut mesurer simplement et rapidement les températures lors de calculs quantiques avec une précision extrêmement élevée. Cette percée fournit un outil de référence pour l'informatique quantique de grande valeur et ouvre la voie à des expériences dans le domaine passionnant de la thermodynamique quantique.
Les composants clés des ordinateurs quantiques sont les câbles coaxiaux et les guides d'ondes, des structures qui guident les formes d'onde et constituent la connexion vitale entre le processeur quantique et l'électronique classique qui le contrôle. Les impulsions micro-ondes voyagent le long des guides d'ondes jusqu'au processeur quantique, et sont refroidis à des températures extrêmement basses en cours de route. Le guide d'onde atténue et filtre également les impulsions, permettant à l'ordinateur quantique extrêmement sensible de travailler avec des états quantiques stables.
Afin de maximiser le contrôle sur ce mécanisme, les chercheurs doivent s'assurer que ces guides d'ondes ne transportent pas de bruit dû au mouvement thermique des électrons en plus des impulsions qu'ils envoient. En d'autres termes, ils doivent mesurer la température des champs électromagnétiques à l'extrémité froide des guides d'ondes hyperfréquences, le point où les impulsions de contrôle sont délivrées aux qubits de l'ordinateur. Travailler à la température la plus basse possible minimise le risque d'introduire des erreurs dans les qubits.
Jusqu'à maintenant, les chercheurs n'ont pu mesurer cette température qu'indirectement, avec un retard relativement important. Maintenant, avec le nouveau thermomètre des chercheurs de Chalmers, des températures très basses peuvent être mesurées directement à l'extrémité réceptrice du guide d'ondes, avec précision et avec une résolution temporelle extrêmement élevée.
"Notre thermomètre est un circuit supraconducteur, directement connecté à l'extrémité du guide d'ondes à mesurer. C'est relativement simple et probablement le thermomètre le plus rapide et le plus sensible au monde pour cet usage particulier à l'échelle du millikelvin, " dit Simone Gasparinetti, professeur assistant au Laboratoire de technologie quantique, Université de technologie Chalmers.
Important pour mesurer les performances des ordinateurs quantiques
Les chercheurs du Wallenberg Center for Quantum Technology, WACQT, ont pour objectif de construire un ordinateur quantique basé sur des circuits supraconducteurs avec au moins 100 qubits fonctionnels effectuant des calculs corrects d'ici 2030. Cela nécessite une température de fonctionnement du processeur proche du zéro absolu, idéalement jusqu'à 10 millikelvin. Le nouveau thermomètre donne aux chercheurs un outil important pour mesurer la qualité de leurs systèmes et les lacunes existantes, une étape nécessaire pour pouvoir affiner la technologie et atteindre leur objectif.
Une impression artistique du circuit supraconducteur utilisé dans l'expérience par Scigliuzzo et al. (la gauche), et de sa capacité à mesurer les micro-ondes thermiques au niveau d'un seul quantum d'excitation (à droite). Crédit :neuroncollective.com / Chalmers University of Technology
"Une certaine température correspond à un nombre donné de photons thermiques, et ce nombre décroît exponentiellement avec la température. Si nous parvenons à abaisser la température à l'extrémité où le guide d'onde rencontre le qubit à 10 millikelvin, le risque d'erreurs dans nos qubits est considérablement réduit, " dit Per Delsing, Professeur au Département de Microtechnique et Nanoscience, Université de technologie Chalmers, et leader du WACQT.
Une mesure précise de la température est également nécessaire pour les fournisseurs qui doivent pouvoir garantir la qualité de leurs composants, par exemple, câbles qui sont utilisés pour gérer les signaux jusqu'aux états quantiques.
De nouvelles opportunités dans le domaine de la thermodynamique quantique
Phénomènes de mécanique quantique tels que la superposition, l'intrication et la décohérence signifient une révolution non seulement pour l'informatique future mais potentiellement aussi en thermodynamique. Il se pourrait bien que les lois thermodynamiques changent d'une manière ou d'une autre lorsqu'on travaille à l'échelle nanométrique d'une manière qui pourrait un jour être exploitée pour produire des moteurs plus puissants, batteries à charge plus rapide, et plus.
"Depuis 15 à 20 ans, on a étudié comment les lois de la thermodynamique pouvaient être modifiées par les phénomènes quantiques, mais la recherche d'un véritable avantage quantique en thermodynamique est encore ouverte, " dit Simone Gasparinetti, qui a récemment lancé son propre groupe de recherche et prévoit de contribuer à cette recherche avec une nouvelle gamme d'expériences.
Le nouveau thermomètre peut, par exemple, mesurer la diffusion des micro-ondes thermiques d'un circuit faisant office de moteur thermique quantique ou de réfrigérateur.
"Les thermomètres standard ont été fondamentaux pour le développement de la thermodynamique classique. Nous espérons que peut-être, à l'avenir, notre thermomètre sera considéré comme essentiel pour le développement de la thermodynamique quantique, " dit Marco Scigliuzzo, doctorant au Département de Microtechniques et Nanosciences, Université de technologie Chalmers.