Les recherches menées au sein du pôle d'excellence « Matière et lumière pour l'informatique quantique » (ML4Q) ont analysé les structures de dispositifs de pointe des ordinateurs quantiques pour démontrer que certains d'entre eux fonctionnent en effet dangereusement près d'un seuil de fusion chaotique. Le défi consiste à marcher sur une ligne mince entre un désordre trop élevé, mais aussi trop faible pour préserver le fonctionnement de l'appareil. L'étude a été publiée aujourd'hui dans Nature Communications .

Dans la course à ce qui pourrait devenir une future technologie clé, des géants de la technologie comme IBM et Google investissent d'énormes ressources dans le développement de matériel informatique quantique. Cependant, les plates-formes actuelles ne sont pas encore prêtes pour des applications pratiques. Il reste de multiples défis, parmi lesquels le contrôle des imperfections de l'appareil ("désordre").

C'est une vieille précaution de stabilité :lorsque de grands groupes de personnes traversent des ponts, ils doivent éviter de marcher au pas pour éviter la formation de résonances déstabilisant la construction. Peut-être de manière contre-intuitive, le processeur transmon qubit supraconducteur - une plate-forme technologiquement avancée pour l'informatique quantique favorisée par IBM, Google et d'autres consortiums - repose sur le même principe :un désordre introduit intentionnellement bloque la formation de fluctuations chaotiques résonnantes, devenant ainsi un élément essentiel du production de processeurs multi-qubits.

Pour comprendre ce point apparemment paradoxal, il faut considérer un qubit transmon comme une sorte de pendule. Les qubits interconnectés pour former une structure informatique définissent un système de pendules couplés - un système qui, comme les pendules classiques, peut facilement être excité par des oscillations incontrôlables avec des conséquences désastreuses. Dans le monde quantique, de telles oscillations incontrôlables conduisent à la destruction de l'information quantique; l'ordinateur devient inutilisable. Des "désaccords" locaux intentionnellement introduits sur des pendules simples maintiennent de tels phénomènes à distance.

"La puce transmon non seulement tolère mais nécessite en fait des imperfections aléatoires des dispositifs qubit à qubit", a expliqué Christoph Berke, doctorant en dernière année dans le groupe de Simon Trebst à l'Université de Cologne et premier auteur de l'article. "Dans notre étude, nous nous demandons à quel point le principe de "stabilité par le hasard" est fiable dans la pratique. En appliquant des diagnostics de pointe de la théorie des systèmes désordonnés, nous avons pu constater qu'au moins certaines des les architectures système poursuivies sont dangereusement proches de l'instabilité."

Du point de vue de la physique quantique fondamentale, un processeur transmon est un système quantique à plusieurs corps avec des niveaux d'énergie quantifiés. Des outils numériques de pointe permettent de calculer ces niveaux discrets en fonction de paramètres système pertinents, pour obtenir des motifs ressemblant superficiellement à un enchevêtrement de spaghettis cuits. Une analyse minutieuse de ces structures pour des puces Google et IBM modélisées de manière réaliste était l'un des nombreux outils de diagnostic appliqués dans l'article pour tracer un diagramme de stabilité pour l'informatique quantique transmon.

"Lorsque nous avons comparé Google aux puces IBM, nous avons constaté que dans ce dernier cas, les états de qubit peuvent être couplés à un degré tel que les opérations de porte contrôlées peuvent être compromises", a déclaré Simon Trebst, chef du groupe Computational Condensed Matter Physics à l'Université. de Cologne. Afin de sécuriser les opérations de porte contrôlées, il faut donc trouver le subtil équilibre entre la stabilisation de l'intégrité du qubit et l'activation du couplage inter-qubit. Dans le langage de la préparation des pâtes, il faut préparer le processeur de l'ordinateur quantique à la perfection, en gardant les états énergétiques "al dente" et en évitant leur enchevêtrement par une cuisson excessive.

L'étude du désordre dans le matériel transmon a été réalisée dans le cadre du cluster d'excellence ML4Q dans le cadre d'un travail collaboratif entre les groupes de recherche de Simon Trebst et Alexander Altland à l'Université de Cologne et le groupe de David DiVincenzo à l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle et au Forschungszentrum Jülich. "Ce projet collaboratif est assez unique", déclare Alexander Altland de l'Institut de physique théorique de Cologne. "Notre connaissance complémentaire du matériel transmon, de la simulation numérique de systèmes complexes à plusieurs corps et du chaos quantique était la condition préalable idéale pour comprendre comment les informations quantiques avec désordre peuvent être protégées. Cela indique également comment les informations obtenues pour les petits systèmes de référence peuvent être transférées à l'application. -échelles de conception pertinentes."

David DiVincenzo, directeur fondateur de l'Institut JARA pour l'information quantique à l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle, tire la conclusion suivante :"Notre étude démontre à quel point il est important pour les développeurs de matériel de combiner la modélisation des dispositifs avec une méthodologie de pointe quantique aléatoire et intégrer les "diagnostics du chaos" dans le cadre de la conception du processeur qubit dans la plate-forme supraconductrice." + Explorer plus loin

Premier bit quantique hybride basé sur des isolants topologiques