Des physiciens du Forschungszentrum Jülich et de l'Institut de technologie de Karlsruhe ont découvert que les jonctions tunnel Josephson, les éléments fondamentaux des ordinateurs quantiques supraconducteurs, sont plus complexes qu'on ne le pensait auparavant.
Tout comme les harmoniques d’un instrument de musique, les harmoniques se superposent au mode fondamental. En conséquence, les corrections peuvent conduire à des bits quantiques deux à sept fois plus stables. Les chercheurs étayent leurs découvertes par des preuves expérimentales provenant de plusieurs laboratoires à travers le monde, notamment l'Université de Cologne, l'École Normale Supérieure de Paris et IBM Quantum à New York.
Tout a commencé en 2019, lorsque les Drs Dennis Willsch et Dennis Rieger, deux doctorants, ont étudié. étudiants de FZJ et KIT à l'époque et co-auteurs d'un nouvel article publié dans Nature Physics — avaient du mal à comprendre leurs expériences utilisant le modèle standard des jonctions tunnel Josephson. Ce modèle avait valu à Brian Josephson le prix Nobel de physique en 1973.
Hâte d'aller au fond des choses, l'équipe dirigée par le professeur Ioan Pop a examiné d'autres données provenant de l'École Normale Supérieure de Paris et d'un appareil de 27 qubits d'IBM Quantum à New York, ainsi que des données d'expériences précédemment publiées. Indépendamment, des chercheurs de l'Université de Cologne ont observé des écarts similaires entre leurs données et le modèle standard.
"Heureusement, Gianluigi Catelani, qui a participé aux deux projets et s'est rendu compte du chevauchement, a réuni les équipes de recherche", se souvient le Dr Dennis Willsch du FZ Jülich. "Le timing était parfait", ajoute le Dr Chris Dickel de l'Université de Cologne, "puisque, à cette époque, nous explorions des conséquences très différentes du même problème sous-jacent."
Les jonctions tunnel Josephson sont constituées de deux supraconducteurs avec une fine barrière isolante entre les deux et, depuis des décennies, ces éléments de circuit sont décrits avec un modèle sinusoïdal simple (voir l'image ci-dessous).
Cependant, comme le démontrent les chercheurs, ce « modèle standard » ne parvient pas à décrire pleinement les jonctions Josephson utilisées pour construire les bits quantiques. Au lieu de cela, un modèle étendu incluant des harmoniques supérieures est nécessaire pour décrire le courant tunnel entre les deux supraconducteurs. Le principe se retrouve également dans le domaine de la musique. Lorsque la corde d'un instrument est frappée, la fréquence fondamentale est recouverte par plusieurs harmoniques.
"C'est passionnant que les mesures dans la communauté aient atteint le niveau de précision auquel nous pouvons résoudre ces petites corrections sur un modèle considéré comme suffisant depuis plus de 15 ans", remarque Dennis Rieger.
Lorsque les quatre professeurs coordonnateurs – Ioan Pop du KIT et Gianluigi Catelani, Kristel Michielsen et David DiVincenzo du FZJ – ont réalisé l'impact de leurs découvertes, ils ont rassemblé une large collaboration d'expérimentateurs, de théoriciens et de scientifiques des matériaux pour unir leurs efforts pour présenter un argument convaincant en faveur du modèle harmonique de Josephson.
Dans la Physique de la nature publication, les chercheurs explorent l’origine et les conséquences des harmoniques Josephson. "En conséquence immédiate, nous pensons que les harmoniques Josephson aideront à concevoir des bits quantiques meilleurs et plus fiables en réduisant les erreurs jusqu'à un ordre de grandeur, ce qui nous rapproche du rêve d'un ordinateur quantique supraconducteur entièrement universel", a déclaré le chercheur. concluent deux premiers auteurs.
Plus d'informations : Dennis Willsch et al, Observation des harmoniques Josephson dans les jonctions de tunnels, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-024-02400-8
Fourni par l'Institut de technologie de Karlsruhe
