L'appariement des paires Cooper aide à protéger les qubits contre le bruit

Une équipe de recherche du Laboratoire de Physique de l'Ecole Normale Supérieure (LPENS) en France a développé une nouvelle façon de protéger les bits quantiques supraconducteurs (qubits) du bruit. Grâce à un nouvel élément de circuit supraconducteur qui "étale" efficacement l'état quantique du qubit, l'équipe a réduit la sensibilité du qubit à un flux magnétique externe d'un facteur 10. Cette amélioration pourrait conduire au développement de qubits supraconducteurs de nouvelle génération qui sont moins sujet aux erreurs.

Les informations quantiques stockées dans les qubits sont fragiles au bruit de l'environnement environnant, et cela reste un défi majeur pour la construction d'ordinateurs quantiques à grande échelle. Une approche importante pour protéger les qubits du bruit consiste à délocaliser leurs informations quantiques : comme le bruit est généralement local, les informations quantiques stockées de manière non locale sont moins susceptibles d'être gâchées. Par exemple, certains types de correction d'erreurs quantiques codent les informations dans un réseau de nombreux qubits spatialement séparés.

Fait intéressant, cette approche de délocalisation peut également être appliquée à une forme d'espace plus abstraite connue sous le nom d'espace de Hilbert d'un qubit. Un exemple populaire est le supraconducteur transmon qubit, dont les états sont largement répartis sur de nombreuses valeurs de charge, offrant une certaine immunité contre le bruit de charge.

Appariement Cooper-paire

Les états quantiques d'un circuit supraconducteur peuvent être décrits en termes d'électrons appariés appelés paires de Cooper (le porteur de charge primaire dans les supraconducteurs) ou la phase supraconductrice (techniquement, la phase du paramètre d'ordre supraconducteur complexe). Lorsque des paires de Cooper individuelles traversent une jonction dite Josephson, qui consiste généralement en deux supraconducteurs prenant en sandwich un mince isolant, le courant traversant la jonction dépend de manière non linéaire de sa phase supraconductrice. Ce phénomène, appelé effet Josephson, est un élément clé dans presque tous les qubits supraconducteurs.

Le Chercheurs du LPENS a conçu un nouveau qubit supraconducteur dans lequel les états quantiques sont délocalisés sur une large gamme de valeurs de la phase supraconductrice. Ils y sont parvenus en créant une version généralisée d'une jonction Josephson dans laquelle deux paires de Cooper traversent simultanément la jonction, c'est-à-dire un appariement de paires de Cooper.

La nouvelle jonction a été réalisée dans une boucle supraconductrice interrompue par deux jonctions Josephson et deux superinductances, qui sont de grandes inductances avec de petites capacités d'accompagnement. Cet arrangement, que l'équipe appelle un élément de co-tunnel d'interférence cinétique (KITE), a été inspiré par un Proposition de 20 ans cela suggère d'observer l'effet d'appariement de paires de Cooper dans une boucle supraconductrice de quatre jonctions Josephson. "La différence est que le KITE échange deux de ces jonctions contre des superinducteurs, ce qui donne une meilleure résilience pour compenser le bruit de charge et certaines autres propriétés souhaitables", déclare Clark Smith, l'auteur principal d'un Examen physique X document décrivant la recherche.

L'équipe a soigneusement contrôlé la boucle KITE en utilisant des interférences destructrices pour supprimer l'effet tunnel de paires Cooper uniques sur les deux jonctions Josephson, permettant au co-effet tunnel de deux paires Cooper de dominer. Cela amplifie les fluctuations de la phase supraconductrice de plus d'un facteur deux - une augmentation considérable de la propagation des états du qubit. L'équipe a ensuite observé expérimentalement une réduction de 10 fois de la sensibilité du qubit à un flux magnétique externe, le rendant plus résistant au bruit de flux.

Vers des qubits supraconducteurs protégés

Les chercheurs affirment que leur jonction Josephson généralisée est un élément de circuit vital pour la fabrication de qubits supraconducteurs intrinsèquement résistants au bruit. En combinant une telle jonction avec un autre élément appelé glissement de phase quantique, il pourrait devenir possible de mettre en œuvre un soi-disant Qubit Gottesman-Kitaev-Preskill dans lequel les états de qubit sont délocalisés sur les espaces de charge et de phase et donc encore plus robustes contre le bruit. Selon Smith, un projet de suivi consisterait à développer des jonctions à glissement de phase quantiques efficaces et à construire des qubits intrinsèquement protégés du bruit sans recourir à la correction d'erreur quantique. De tels qubits allégeraient considérablement la complexité matérielle requise pour construire un ordinateur quantique tolérant aux pannes.

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• Source : https://physicsworld.com/a/pairing-of-cooper-pairs-helps-protect-qubits-against-noise/