La technologie quantique pourrait surpasser les ordinateurs conventionnels dans certaines tâches avancées d’optimisation et de calcul. Ces dernières années, les physiciens ont travaillé pour identifier de nouvelles stratégies permettant de créer des systèmes quantiques et des qubits prometteurs (c'est-à-dire des unités d'information de base dans les ordinateurs quantiques).
Des chercheurs de l'Institut des systèmes complexes du CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), de l'Institut Max Planck de physique chimique des solides et d'autres instituts dans le monde ont récemment introduit un nouveau qubit supraconducteur et shunté capacitivement, qu'ils ont surnommé « flowermon ». Ce qubit, présenté dans les Physical Review Letters , est basé sur des hétérostructures torsadées de cuprate van der Waals.
"Le projet est né par hasard, lors d'une tentative de combiner les langages de nos différentes expertises en matière de conversation", a déclaré Uri Vool, co-auteur de l'article, à Phys.org. "La motivation initiale était le travail récent de notre collaborateur Nicola Poccia, qui a réussi à réaliser une "hétérostructure de van der Waals torsadée" où ils peuvent contrôler l'angle entre les couches individuelles dans le nouveau supraconducteur cuprate BSCCO sans ruiner ses propriétés uniques.
"Nicola Poccia a demandé à Valentina Brosco et moi si cela pouvait être utilisé d'une manière ou d'une autre comme qubit ou dispositif pour la technologie quantique. Au début, j'étais assez sceptique, mais cela a conduit à plusieurs séances de brainstorming entre Valentina et moi qui ont finalement convergé vers l'idée présentée dans notre journal."
La plupart des expériences visant à créer des circuits supraconducteurs quantiques ont utilisé des matériaux supraconducteurs conventionnels et largement étudiés, tels que l'aluminium ou le niobium. Vers l'an 2000, cependant, certains physiciens théoriciens ont exploré l'idée d'introduire des circuits supraconducteurs protégés contre le bruit qui exploitent la symétrie unique des supraconducteurs non conventionnels.
La réalisation de cette idée dans un cadre expérimental paraissant irréalisable à l’époque, ces travaux théoriques furent abandonnés pendant plusieurs années. L'étude récente de Vool, Poccia, Brosco et leurs collègues ramène cette idée pour créer un nouveau qubit supraconducteur.
"Au fur et à mesure du développement des circuits supraconducteurs, plusieurs propositions ont été formulées pour créer des circuits protégés contre le bruit en concevant les éléments du circuit de manière à obtenir une symétrie", a déclaré Vool. "Ces idées sont très intéressantes, mais la mise en œuvre expérimentale a toujours été difficile car des imperfections, par exemple dans l'inductance relative des éléments du circuit ou dans le flux appliqué dans la boucle qu'ils forment, brisaient la symétrie et dégradaient leurs performances.
"Dans le flowermon, nous avons remarqué qu'un simple circuit utilisant une hétérostructure torsadée en cuprate de van der Waals offre également cette protection, qui vient de la symétrie du matériau lui-même et non de l'emplacement du circuit."
La structure et les propriétés uniques du flowermon, le qubit introduit par cette équipe de recherche, peuvent grandement améliorer la robustesse d'un circuit supraconducteur, car elles suppriment le besoin de réglage ou de flux. S'appuyant sur des efforts de recherche antérieurs axés sur les circuits protégés, Vool et ses collègues ont démontré le potentiel des matériaux présentant une symétrie inhérente pour créer des systèmes supraconducteurs quantiques.
"Notre travail montre que l'utilisation de matériaux dotés d'une symétrie inhérente, par opposition à une symétrie artificielle, donne un qubit robuste qui ne nécessite pas de réglage précis", a expliqué Vool. "Le flowermon modernise l'ancienne idée d'utiliser des supraconducteurs non conventionnels pour les circuits quantiques protégés et la combine avec de nouvelles techniques de fabrication et une nouvelle compréhension de la cohérence des circuits supraconducteurs."
Le nouveau qubit introduit par les chercheurs est essentiellement constitué d’une seule jonction BSCCO van der Waals Josephson. Cette jonction a un angle de torsion d'environ 45°, shuntée par un grand condensateur et un résonateur supraconducteur de lecture.
"Malgré sa simplicité, la nature unique d'onde D torsadée du paramètre d'ordre permet au flowermon de coder des informations dans des états propres préservant la parité", a déclaré Valentina Brosco, co-auteur de l'article. "Idéalement, cela apporte une amélioration de plusieurs ordres de grandeur du temps de relaxation par rapport au transmon bien connu. De plus, le contrôle de l'angle de torsion démontré dans l'expérience suggère que, contrairement à ce qui se passe dans les jonctions d'onde D standard, dans le flowermon La dissipation induite par les quasi-particules est supprimée de manière exponentielle. "
La conception simple du flowermon exploite les caractéristiques complexes et particulières du tunnel Josephson entre deux minces flocons de BSCCO avec un angle de torsion relatif.
Un autre avantage du nouveau qubit est sa structure spectrale distinctive, qui permet la manipulation de l'électrodynamique quantique des circuits (cQED) et des schémas de lecture.
"Je pense que le flowermon constitue une excellente illustration des fonctionnalités émergentes réalisables grâce à l'intégration de matériaux complexes et d'hétérostructures dans des dispositifs quantiques, en particulier dans le domaine des circuits supraconducteurs", a déclaré Brosco. "Ce que j'ai trouvé extrêmement intéressant et fascinant, c'est que la force du circuit flowermon est intégrée dans la fonction d'onde à plusieurs corps qui conduit à une relation courant-phase avec un terme tunnel dominant à deux paires de cuivre."
Contrairement à d’autres qubits protégés par parité, réalisés grâce à une ingénierie de circuits complexe, le flowermon s’appuie sur des mécanismes physiques naturels. La robustesse signalée de cette conception unique pourrait inspirer d'autres physiciens à explorer le potentiel des hétérostructures torsadées de cuprate de Van der Waals pour créer des circuits supraconducteurs.
"L'idée derrière le flowermon peut être étendue dans plusieurs directions :recherche de différents supraconducteurs ou jonctions produisant des effets similaires, exploration de la possibilité de réaliser de nouveaux dispositifs quantiques basés sur le flowermon", a déclaré Brosco. "Ces dispositifs combineraient les avantages des matériaux quantiques et des circuits quantiques cohérents ou utiliseraient le flowermon ou une conception associée pour étudier la physique des hétérostructures supraconductrices complexes."
Vool, Brosco et leurs collaborateurs prévoient désormais de mener des études théoriques et expérimentales supplémentaires. Dans leurs travaux théoriques, ils envisagent d'aborder divers aspects du circuit qu'ils ont introduit.
Le circuit Flowermon ouvre notamment une nouvelle voie possible pour élargir la compréhension des supraconducteurs non conventionnels à l’aide de circuits quantiques. Ceci est très pertinent, car les propriétés de ces matériaux restent l'un des plus grands mystères de la physique de la matière condensée.
"Ce n'est que le premier exemple concret et simple d'utilisation des propriétés inhérentes d'un matériau pour fabriquer un nouveau dispositif quantique, et nous espérons nous en inspirer et trouver d'autres exemples, pour finalement établir un domaine de recherche combinant la physique des matériaux complexe et les dispositifs quantiques. ", a ajouté Vool.
"Expérimentalement, il reste encore beaucoup de travail à faire pour mettre en œuvre cette proposition. Nous fabriquons et mesurons actuellement des circuits supraconducteurs hybrides qui intègrent ces supraconducteurs de Van der Waals, et espérons utiliser ces circuits pour mieux comprendre le matériau, et éventuellement concevoir et mesurer circuits supraconducteurs hybrides protégés pour en faire de véritables dispositifs utiles."
Plus d'informations : Valentina Brosco et al, Qubit supraconducteur basé sur des hétérostructures torsadées de Cuprate Van der Waals, Physical Review Letters (2024). DOI :10.1103/PhysRevLett.132.017003. Sur arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.00839
Informations sur le journal : Lettres d'examen physique , arXiv
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