Un autre qubit supraconducteur atteint des performances élevées pour l'informatique quantique

Image SEM du processeur fluxonium à deux qubits. Crédit :Bao et al.

Les ordinateurs quantiques, des appareils qui exploitent les phénomènes quantiques pour effectuer des calculs, pourraient éventuellement aider à résoudre des problèmes informatiques complexes plus rapidement et plus efficacement que les ordinateurs classiques. Ces dispositifs sont généralement basés sur des unités d'information de base appelées bits quantiques ou qubits.

Des chercheurs d'Alibaba Quantum Laboratory, une unité de l'institut de recherche DAMO du groupe Alibaba, ont récemment développé un processeur quantique utilisant des qubits de fluxonium, qui n'ont jusqu'à présent pas été le choix préféré lors du développement d'ordinateurs quantiques pour les équipes de l'industrie. Leur article, publié dans Physical Review Letters , démontre le potentiel du fluxonium pour développer des circuits supraconducteurs très performants.

"Ce travail est une étape cruciale pour nous dans l'avancement de notre recherche en informatique quantique", a déclaré Yaoyun Shi, directeur du laboratoire quantique d'Alibaba, à Phys.org. "Lorsque nous avons lancé notre programme de recherche, nous avons décidé d'explorer le fluxonium comme élément de base des futurs ordinateurs quantiques, en nous écartant du choix traditionnel du qubit transmon. Nous pensons que ce type relativement nouveau de qubit supraconducteur pourrait aller beaucoup plus loin que le transmon."

Alors que certaines études passées avaient déjà exploré le potentiel des processeurs quantiques basés sur des qubits de fluxonium, la plupart d'entre elles proposaient principalement des preuves de concept, qui ont été réalisées dans des laboratoires universitaires. Cependant, pour que ces "atomes artificiels" soient implémentés dans de vrais ordinateurs quantiques et rivalisent avec les transmons (c'est-à-dire les qubits largement utilisés), ils devraient démontrer une haute performance sur un large éventail d'opérations, au sein d'un seul appareil. C'est précisément l'objectif clé de ce travail.

Les qubits de fluxonium ont deux caractéristiques qui les distinguent des transmons :leurs niveaux d'énergie sont beaucoup plus inégaux (c'est-à-dire "anharmoniques") et ils utilisent une grande inductance pour remplacer le condensateur utilisé dans les transmons. Les deux contribuent à l'avantage du fluxonium, au moins théoriquement, d'être plus résistant aux erreurs, conduisant à une meilleure "cohérence", c'est-à-dire à conserver l'information quantique plus longtemps, et à une "plus grande fidélité", c'est-à-dire une précision, dans la réalisation des opérations élémentaires. /P>

"On peut imaginer les niveaux d'énergie formant une échelle", a expliqué Chunqing Deng, qui a dirigé l'étude. "Les écarts d'énergie sont importants, car chaque instruction quantique a une " hauteur ", ou fréquence, et elle déclenche des transitions entre deux niveaux lorsque la hauteur correspond à leurs écarts d'énergie."

Essentiellement, lorsque les deux premiers écarts d'énergie entre les niveaux sont fermés, comme ils le sont dans le transmon, un "appel" pour la transition entre les deux premiers niveaux d'énergie (c'est-à-dire les états "0" et "1") peut également déclencher accidentellement des transitions entre le deuxième et le troisième niveau. Cela peut amener l'état en dehors de l'espace de calcul valide, conduisant à ce que l'on appelle une erreur de fuite. Dans le fluxonium, en revanche, la distance séparant les deuxième et troisième "échelons" d'énergie est plus grande, ce qui réduit le risque d'erreurs de fuite.

"En principe, la conception du fluxonium est simple :il se compose de deux composants élémentaires :une "jonction Josephson" shuntée avec une grande inductance, qui est similaire, en fait, à celle d'un transmon, qui est une jonction Josephson shuntée avec un condensateur », a déclaré Chunqing. "La jonction Josephson est le composant magique qui crée l'anharmonicité en premier lieu. La grande inductance est souvent, comme dans notre cas également, mise en œuvre par un grand nombre (dans notre travail, 100) de jonctions Josephson."

Le remplacement du condensateur par une inductance en fluxonium supprime les "îlots" résultant des électrodes et la source de "bruits de charge" causés par les fluctuations de charge des électrons, rendant ainsi le fluxonium plus anti-erreur. Cela se fait cependant au détriment d'une ingénierie beaucoup plus exigeante, en raison du large éventail de jonctions Josephson.

L'avantage du Fluxonium en termes de cohérence élevée peut être grandement amplifié pour obtenir des fidélités de grille élevées si les grilles utilisent un temps court. De telles portes rapides sont en effet réalisées grâce à la fonction « d'accordabilité » démontrée par les chercheurs. Plus précisément, l'écart d'énergie ou « fréquence » entre les états « 0 » et « 1 » peut être rapidement modifié, de sorte que deux qubits peuvent être rapidement amenés à être « en résonance », c'est-à-dire ayant la même fréquence. Être en résonance, c'est quand les deux qubits évoluent ensemble pour réaliser le bloc de construction le plus critique d'un ordinateur quantique :les portes à 2 qubits.

Lors des tests initiaux, la plate-forme quantique conçue par Chunqing et ses collègues s'est avérée atteindre une fidélité de porte à un seul qubit moyenne de 99,97 % et une fidélité de porte à deux qubits allant jusqu'à 99,72 %. Ces valeurs sont comparables à certains des meilleurs résultats obtenus par les processeurs quantiques dans les études précédentes. Outre les portes à un et deux qubits, l'équipe a également intégré, de manière robuste, d'autres opérations de base nécessaires à un ordinateur quantique numérique :la réinitialisation et la lecture.

Le processeur à 2 qubits développé par cette équipe de chercheurs pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour l'utilisation du fluxonium dans l'informatique quantique, car il a largement surpassé les autres processeurs de preuve de concept introduits dans le passé. Leur travail pourrait inspirer d'autres équipes à développer des conceptions similaires, en remplaçant le transmon par des qubits de fluxonium.

"Notre étude introduit un choix alternatif au transmon largement adapté", a déclaré Chunqing. "Nous espérons que nos travaux inspireront davantage d'intérêt pour l'exploration du fluxonium, afin que son plein potentiel puisse être libéré pour atteindre des performances nettement plus élevées en termes de fidélité, ce qui réduira considérablement les frais généraux liés à la réalisation de l'informatique quantique à tolérance aux pannes. Ce que cela signifie est que, pour la même tâche de calcul, un ordinateur quantique au fluxonium plus fidèle peut avoir besoin d'un nombre de qubits nettement inférieur."

Essentiellement, Chunqing et ses collègues ont montré que les processeurs à base de fluxonium pouvaient effectuer des calculs beaucoup plus puissants que ceux à base de transmon, en utilisant le même nombre de qubits physiques. Dans leurs prochaines études, l'équipe souhaite faire évoluer son système et essayer de le rendre tolérant aux pannes tout en conservant une haute fidélité.

"We now plan to validate our hypothesis that fluxonium is indeed a much better qubit than transmon and then march towards the community's next major milestone of realizing fault-tolerance, using ultra-high fidelity flxuonium qubits," Yaoyun added. "We believe fluxonium has the potential to be more widely recognized, as we are not even close to any theoretical limit of high-fidelity operation yet. It is important to keep pushing this direction." + Explorer plus loin