Si vous avez déjà essayé de tenir une conversation dans une pièce bruyante, vous serez en mesure de comprendre les scientifiques et les ingénieurs qui tentent "d'entendre" les signaux provenant de dispositifs informatiques quantiques expérimentaux appelés qubits. Ces unités de base des ordinateurs quantiques sont au début de leur développement et restent capricieuses, sujettes à toutes sortes d'interférences. Un "bruit" parasite peut se faire passer pour un qubit fonctionnel ou même le rendre inutilisable.

C'est pourquoi le physicien Christian Boutan et ses collègues du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) étaient récemment en mode célébration lorsqu'ils ont présenté le premier qubit supraconducteur fonctionnel du PNNL. Ce n'est pas grand-chose à regarder. Son boîtier, de la taille d'un paquet de chewing-gum, est relié à des fils qui transmettent des signaux à un panneau voisin de récepteurs radiofréquence personnalisés. Mais le plus important, il est niché dans un cocon doré brillant appelé réfrigérateur à dilution et protégé des signaux électriques parasites. Lorsque le réfrigérateur fonctionne, il fait partie des endroits les plus froids de la planète, donc très proche du zéro absolu, moins de 6 millikelvins (environ −460 degrés F).

Le froid extrême et l'isolement transforment le dispositif supraconducteur sensible en un qubit fonctionnel et ralentissent le mouvement des atomes qui détruiraient l'état du qubit. Ensuite, les chercheurs écoutent un signal caractéristique, un blip sur leurs récepteurs radiofréquence. Le blip s'apparente aux signaux radar que l'armée utilise pour détecter la présence d'avions. Tout comme les systèmes radar traditionnels transmettent des ondes radio puis écoutent les ondes de retour, les physiciens du PNNL ont utilisé une technique de détection à basse température pour "entendre" la présence d'un qubit en diffusant des signaux soigneusement conçus et en décodant le message de retour.

"Vous chuchotez au qubit et écoutez le résonateur", a déclaré Boutan, qui a assemblé le premier banc d'essai qubit du PNNL. "Si vous atteignez la bonne fréquence avec un signal envoyé au qubit, vous verrez le pic du décalage du résonateur. L'état du qubit modifie la fréquence du résonateur. C'est le décalage du signal que nous écoutons."

Il ne s'agit pas de mesurer directement le signal quantique, mais plutôt de rechercher la trace qu'il laisse derrière lui. L'une des nombreuses bizarreries de l'informatique quantique est que les scientifiques ne peuvent pas mesurer directement l'état quantique. Au contraire, ils sondent son impact sur l'environnement stratégiquement préparé qui l'entoure. C'est pourquoi l'expertise du PNNL dans la transmission radiofréquence et la détection de signaux a été essentielle, a déclaré Boutan. Tout bruit de fond incontrôlé peut détruire la cohérence du qubit.

Toute cette attention particulière est nécessaire car les signaux quantiques que l'équipe de recherche essaie de détecter et d'enregistrer peuvent assez facilement être submergés par le "bruit" concurrent provenant de diverses sources, y compris les matériaux du qubit lui-même.

Concentration quantique

C'est le début de l'informatique quantique. Les prototypes existants tels que celui fonctionnant dans le laboratoire de physique du PNNL pourraient être comparés à l'ordinateur personnel Macintosh lorsque le fondateur d'Apple Steve Jobs et ses amis sont sortis de leur garage. Sauf que l'investissement et les enjeux sont beaucoup plus élevés à ce stade de l'ère de l'informatique quantique.

Les scientifiques se concentrent particulièrement sur le potentiel des ordinateurs quantiques pour résoudre les problèmes urgents de production, d'utilisation et de durabilité de l'énergie. C'est pourquoi l'investissement du gouvernement américain s'élève à lui seul à plus d'un milliard de dollars par le biais de la National Quantum Initiative et des National Quantum Information Science (QIS) Research Centers du ministère de l'Énergie, qui se concentrent sur l'avancement de la science de l'informatique quantique.

Le PNNL, qui contribue à trois des cinq centres QIS, travaille sur plusieurs aspects des sciences de l'information quantique, notamment en révélant et en éliminant les sources d'interférences et de bruit qui font sortir les qubits de l'état utile appelé "cohérence", en écrivant des codes informatiques qui tirer parti de ces ordinateurs quantiques et améliorer la conception matérielle et la construction des qubits eux-mêmes. Les recherches de Boutan sur la détection quantique par micro-ondes sont soutenues par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire du PNNL.

Le soin et l'alimentation des qubits

Les qubits supraconducteurs sont constitués de métaux exotiques qui réagissent avec l'oxygène de l'atmosphère, créant des oxydes métalliques. Vous avez vu cela se produire lorsque le fer se transforme en rouille.

"C'est un problème de matériaux", a déclaré Brent VanDevender, un physicien du PNNL travaillant sur les sources d'interférences dans les qubits. "Nous les appelons des systèmes à deux niveaux. Le terme fait référence à tous les défauts de votre matériau, tels que les oxydes, qui peuvent imiter le comportement du qubit et voler de l'énergie."

Le scientifique des matériaux du PNNL, Peter Sushko, et ses collègues travaillent sur le défi d'arrêter la "rouille" des qubits avec des collaborateurs de l'Université de Princeton grâce à leur affiliation avec le C2QA QIS Center. Là, une équipe de chercheurs a développé l'un des qubits les plus durables jamais signalés. Et pourtant, des oxydes métalliques se forment rapidement sur la surface exposée de ces dispositifs qubit supraconducteurs.

En collaboration avec leurs collaborateurs de Princeton, Sushko et son équipe ont proposé un revêtement protecteur qui peut interférer avec l'oxygène de l'air interagissant avec la surface des qubits et provoquant leur oxydation.

"Notre objectif est d'éliminer le désordre et d'être compatible avec la structure sous-jacente", a déclaré Sushko. "Nous recherchons une couche protectrice qui reposera sur le dessus de manière ordonnée et empêchera l'oxydation, minimisant les effets du désordre."

Cette recherche s'appuie sur la recherche fondamentale du scientifique des matériaux du PNNL Marvin Warner et ses collègues. Ils ont accumulé un ensemble de connaissances sur la manière de protéger les dispositifs supraconducteurs sensibles à base de métal en appliquant un micro-revêtement qui protège efficacement la surface des dommages susceptibles d'affecter les performances.

"Le contrôle de la chimie de surface pour protéger les propriétés quantiques émergentes d'un matériau est une approche importante pour développer des dispositifs plus stables et plus robustes", a déclaré Warner. "Cela s'inscrit parfaitement dans les atouts du PNNL en tant que laboratoire de chimie."

Bientôt, l'équipe construira la solution proposée dans le laboratoire de nanofabrication de dispositifs quantiques de l'Université de Princeton. Une fois construit, il subira une série de tests. En cas de succès, le qubit pourrait être prêt pour des tests rigoureux de sa longévité face à un bombardement destructeur de cohérence de qubit par le rayonnement atmosphérique, également connu sous le nom de rayons cosmiques.

Aller sous terre

Vous pouvez compter d'une part sur le nombre de lieux aux États-Unis mis en place pour étudier la fidélité qubit dans un environnement souterrain bien protégé. Bientôt le PNNL sera parmi eux. Les préparatifs sont bien avancés pour mettre en place une installation souterraine de test de qubit au sein du laboratoire souterrain peu profond de PNNL. Des décennies de recherche sur les effets des rayonnements ionisants ont préparé les scientifiques du PNNL à déterminer dans quelle mesure les dispositifs quantiques peuvent tolérer les interférences du bombardement par des sources de rayonnement naturel. Ici, chercheurs et techniciens s'affairent à mettre en place un réfrigérateur à dilution similaire à celui du laboratoire de physique du PNNL.

Dans une salle ultra-propre avec une synthèse de matériaux ultra-purs de pointe et une détection de rayonnement de fond ultra-faible, les qubits expérimentaux seront mis à l'épreuve dans un environnement blindé au plomb personnalisé qui réduit les rayons gamma externes de plus de 99 %.

Au cours de l'année, le PNNL sera prêt à achever le cycle complet de tests de qubit, de la conception et de la théorie à la microfabrication, aux tests environnementaux et au déploiement avec des partenaires de recherche.

"Les ordinateurs quantiques entièrement fonctionnels ne seront utiles que lorsqu'ils deviendront fiables", a déclaré Warner. "Avec nos partenaires de recherche, nous nous préparons aujourd'hui à aider à inaugurer cette ère aujourd'hui." + Explorer plus loin

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