Des chercheurs du MIT développent une nouvelle façon d'amplifier les signaux quantiques tout en réduisant le bruit

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Des chercheurs du MIT ont trouvé un moyen d'amplifier les signaux quantiques tout en réduisant le bruit environnemental en utilisant un processus appelé "compression".

By Kenna Hughes-Castleberry posté le 27 février 2023

En raison de la fragilité et de la sensibilité des qubits dans un ordinateur quantique, l'environnement bruit est un facteur clé dans le maintien de l'intégrité de l'ensemble du système. Étant donné que ce bruit peut affecter l'analyse et la lecture par un ordinateur quantique, les ingénieurs et les scientifiques du monde entier tentent de trouver des moyens de réduire ce bruit tout en maintenant les niveaux actuels de communication entre les qubits. Récent un article de MIT suggère une nouvelle méthode possible de contrôle du bruit tout en amplifiant les signaux quantiques en utilisant un processus connu sous le nom de compression. Avec leurs résultats publiés dans Physique de la nature, les chercheurs espèrent que la compression pourra être utilisée pour créer des composants plus robustes pour un ordinateur quantique.

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Selon le premier auteur et étudiant diplômé du MIT Jack Qiu, la compression fonctionne en redistribuant le bruit environnemental d'une variable à une variable différente, de sorte que la quantité totale de bruit soit la même, elle est juste inférieure sur un paramètre. Comme Qiu l'a expliqué plus loin : « Une propriété quantique connue sous le nom de principe d'incertitude de Heisenberg nécessite qu'une quantité minimale de bruit soit ajoutée pendant le processus d'amplification, conduisant à ce que l'on appelle la « limite quantique standard » du bruit de fond. Cependant, un dispositif spécial appelé Josephson L'amplificateur paramétrique peut réduire le bruit ajouté en le "serrant" en dessous de la limite fondamentale en le redistribuant efficacement ailleurs.

Cette redistribution est particulièrement utile lorsque les chercheurs se concentrent sur un paramètre spécifique du système. "L'information quantique est représentée dans les variables conjuguées, par exemple, l'amplitude et la phase des ondes électromagnétiques", a ajouté Qiu. « Cependant, dans de nombreux cas, les chercheurs n'ont besoin de mesurer qu'une seule de ces variables – l'amplitude ou la phase – pour déterminer l'état quantique du système. Dans ces cas, ils peuvent "comprimer le bruit" : le réduire pour une variable, disons l'amplitude, tout en l'élevant pour l'autre, dans ce cas, la phase. La quantité totale de bruit reste la même en raison du principe d'incertitude de Heisenberg. Pourtant, sa distribution peut être façonnée de sorte que des mesures moins bruyantes soient possibles sur l'une des variables.

Implémentation de la compression dans le système et amplification des signaux quantiques

Dans leur expérience, Qiu et son équipe se sont concentrés sur l'utilisation d'un nouveau type d'appareil pour initier la compression. "Dans ce travail, nous introduisons un nouveau type d'amplificateur paramétrique à ondes progressives Josephson (JTWPA) conçu pour la compression", a déclaré Qiu. "Le dispositif comprend de nombreuses jonctions Josephson [jonctions contenant des courants supraconducteurs] en série et des résonateurs à adaptation de phase chargés périodiquement pour prendre en charge le fonctionnement à double pompe." Avec cet appareil, les chercheurs ont pu affiner l'ensemble de leur système, permettant aux photons de se combiner en signaux quantiques plus forts et plus amplifiés. Les résultats qu'ils ont trouvés avec ce nouvel appareil et cette configuration expérimentale étaient passionnants. « Cette architecture a permis [aux signaux quantiques] de réduire la puissance de bruit d'un facteur 10 en dessous de la limite quantique fondamentale tout en fonctionnant avec une bande passante d'amplification de 3.5 gigahertz », a expliqué Qiu. « Cette gamme de fréquences est supérieure de près de deux ordres de grandeur à celle des appareils précédents. Notre appareil démontre également la génération à large bande de paires de photons intriqués, ce qui pourrait permettre aux chercheurs de lire les informations quantiques plus efficacement avec un rapport signal sur bruit beaucoup plus élevé.

Étant donné que le développement actuel des ordinateurs quantiques vise à améliorer les signaux quantiques entre les qubits tout en réduisant le bruit environnemental, les résultats de cette expérience pourraient être importants. Alors que Qiu et son équipe poursuivent leurs recherches sur ce processus, ils espèrent que leur travail pourra influencer d'autres acteurs de l'industrie quantique. Comme l'a dit Qiu: «Il a un potentiel énorme si vous l'appliquez à d'autres systèmes quantiques – pour s'interfacer avec un système qubit pour améliorer la lecture, ou pour enchevêtrer des qubits, ou étendre la plage de fréquences de fonctionnement de l'appareil à utiliser dans la détection de la matière noire et améliorer son efficacité de détection.

Kenna Hughes-Castleberry est rédactrice à Inside Quantum Technology et communicatrice scientifique à JILA (un partenariat entre l'Université du Colorado à Boulder et le NIST). Ses rythmes d'écriture incluent la technologie profonde, le métaverse et la technologie quantique.