L’informatique quantique promet de résoudre des problèmes complexes de manière exponentielle plus rapidement qu’un ordinateur classique, en utilisant les principes de la mécanique quantique pour coder et manipuler les informations sous forme de bits quantiques (qubits).
Les qubits sont les éléments constitutifs d’un ordinateur quantique. Cependant, l’un des défis de la mise à l’échelle réside dans le fait que les qubits sont très sensibles au bruit de fond et aux imperfections de contrôle, qui introduisent des erreurs dans les opérations quantiques et limitent finalement la complexité et la durée d’un algorithme quantique. Pour améliorer la situation, les chercheurs du MIT et du monde entier se sont continuellement concentrés sur l’amélioration des performances des qubits.
Dans de nouveaux travaux, utilisant un qubit supraconducteur appelé fluxonium, des chercheurs du Département de physique du MIT, du Laboratoire de recherche en électronique (RLE) et du Département de génie électrique et d’informatique (EECS) ont développé deux nouvelles techniques de contrôle pour parvenir à un monde- enregistrer une fidélité à un seul qubit de 99,998 %. Ce résultat complète la démonstration faite l’année dernière par Leon Ding, alors chercheur au MIT, d’une fidélité de porte à deux qubits de 99,92 %.
Les conclusions sont publié dans la revue PRX Quantique.
Les auteurs principaux de l’article sont David Rower, Ph.D., un récent postdoctorant en physique au sein du groupe Engineering Quantum Systems (EQuS) du MIT et maintenant chercheur scientifique au laboratoire Google Quantum AI ; Leon Ding Ph.D., d’EQuS, dirige désormais l’équipe d’étalonnage chez Atlantic Quantum ; et William D. Oliver, professeur Henry Ellis Warren de l’EECS et professeur de physique, directeur de l’EQuS, directeur du Center for Quantum Engineering et directeur associé du RLE.
Décohérence et erreurs de contre-rotation
Un défi majeur du calcul quantique est la décohérence, un processus par lequel les qubits perdent leurs informations quantiques. Pour les plates-formes telles que les qubits supraconducteurs, la décohérence fait obstacle à la réalisation de portes quantiques de plus haute fidélité.
Les ordinateurs quantiques doivent atteindre des fidélités de porte élevées afin de mettre en œuvre des calculs soutenus via des protocoles tels que la correction d’erreurs quantiques. Plus la fidélité de la porte est élevée, plus il est facile de réaliser une informatique quantique pratique.
Les chercheurs du MIT développent des techniques pour rendre les portes quantiques, les opérations de base d’un ordinateur quantique, aussi rapides que possible afin de réduire l’impact de la décohérence. Cependant, à mesure que les portes deviennent plus rapides, un autre type d’erreur, résultant d’une dynamique contrarotative, peut être introduit en raison de la manière dont les qubits sont contrôlés à l’aide d’ondes électromagnétiques.
Les portes à qubit unique sont généralement implémentées avec une impulsion résonante, qui induit des oscillations de Rabi entre les états de qubit. Cependant, lorsque les impulsions sont trop rapides, les « portes Rabi » ne sont pas aussi cohérentes, en raison d’erreurs indésirables dues aux effets contrarotatifs. Plus le portail est rapide, plus l’erreur de contre-rotation est manifeste. Pour les qubits basse fréquence tels que le fluxonium, les erreurs contrarotatives limitent la fidélité des portes rapides.
« Se débarrasser de ces erreurs était pour nous un défi amusant », déclare Rower. « Initialement, Léon a eu l’idée d’utiliser des lecteurs micro-ondes à polarisation circulaire, analogues à la lumière polarisée circulairement, mais réalisés en contrôlant la phase relative des lecteurs de charge et de flux d’un qubit supraconducteur. Un tel lecteur à polarisation circulaire serait idéalement immunisé contre les effets contrarotatifs. erreurs. »
Bien que l’idée de Ding ait fonctionné immédiatement, les fidélités obtenues avec des disques à polarisation circulaire n’étaient pas aussi élevées que celles attendues par les mesures de cohérence.
« Finalement, nous sommes tombés sur une idée magnifiquement simple », explique Rower. « Si nous appliquions des impulsions exactement au bon moment, nous devrions être capables de rendre les erreurs contrarotatives cohérentes d’une impulsion à l’autre. Cela rendrait les erreurs contrarotatives corrigibles. Mieux encore, elles seraient automatiquement prises en compte avec notre étalonnages habituels de la porte Rabi.
Ils ont appelé cette idée « impulsions proportionnées », car les impulsions devaient être appliquées à des moments proportionnés à des intervalles déterminés par la fréquence du qubit via son inverse, la période de temps. Les impulsions proportionnelles sont définies simplement par des contraintes de synchronisation et peuvent être appliquées à un seul lecteur de qubit linéaire. En revanche, les micro-ondes à polarisation circulaire nécessitent deux lecteurs et un étalonnage supplémentaire.
« J’ai eu beaucoup de plaisir à développer la technique adaptée », explique Rower. « C’était simple, nous avons compris pourquoi cela fonctionnait si bien, et il devrait être portable sur n’importe quel qubit souffrant d’erreurs contrarotatives.
« Ce projet montre clairement que les erreurs contrarotatives peuvent être traitées facilement. C’est une chose merveilleuse pour les qubits basse fréquence tels que le fluxonium, qui semblent de plus en plus prometteurs pour l’informatique quantique. »
La promesse du Fluxonium
Le fluxonium est un type de qubit supraconducteur composé d’un condensateur et d’une jonction Josephson ; Cependant, contrairement aux qubits transmon, le fluxonium comprend également un grand « superinducteur » qui, de par sa conception, aide à protéger le qubit du bruit ambiant. Cela permet d’effectuer des opérations logiques, ou portes, avec une plus grande précision.
Malgré sa cohérence plus élevée, le fluxonium a une fréquence de qubit plus faible qui est généralement associée à des portes proportionnellement plus longues.
« Ici, nous avons démontré une porte parmi les plus rapides et les plus fidèles parmi tous les qubits supraconducteurs », explique Ding. « Nos expériences montrent vraiment que le fluxonium est un qubit qui prend en charge à la fois des explorations physiques intéressantes et qui est également absolument performant en termes de performances techniques. »
Avec des recherches plus approfondies, ils espèrent révéler de nouvelles limites et produire des portes encore plus rapides et plus fidèles.
« La dynamique contrarotative a été sous-étudiée dans le contexte de l’informatique quantique supraconductrice en raison de la qualité de l’approximation des ondes tournantes dans des scénarios courants », explique Ding. « Notre article montre comment calibrer avec précision des portes rapides à basse fréquence là où l’approximation des ondes tournantes ne tient pas. »
La physique et l’ingénierie s’associent
« C’est un merveilleux exemple du type de travail que nous aimons faire dans EQuS, car il exploite des concepts fondamentaux de la physique et du génie électrique pour obtenir de meilleurs résultats », déclare Oliver. « Il s’appuie sur nos travaux antérieurs sur le contrôle des qubits non adiabatiques, l’applique à un nouveau qubit, le fluxonium, et établit une belle connexion avec la dynamique contrarotative. »
Les équipes scientifiques et techniques ont permis la haute fidélité de deux manières. Premièrement, l’équipe a démontré un contrôle non adiabatique « proportionné » (synchrone), qui va au-delà de « l’approximation des ondes tournantes » standard des approches Rabi standard. Cela exploite les idées qui ont remporté le prix Nobel de physique 2023 pour les impulsions lumineuses ultrarapides « attosecondes ».
Deuxièmement, ils l’ont démontré en utilisant une lumière analogique à polarisation circulaire. Plutôt qu’un champ électromagnétique physique avec un vecteur de polarisation tournant dans l’espace xy réel, ils ont réalisé une version synthétique de la lumière polarisée circulairement en utilisant l’espace xy du qubit, qui correspond dans ce cas à son flux magnétique et à sa charge électrique.
La combinaison d’une nouvelle approche d’une conception de qubit existante (fluxonium) et de l’application de méthodes de contrôle avancées appliquées à la compréhension de la physique sous-jacente a permis d’obtenir ce résultat.
Indépendant de la plate-forme et ne nécessitant aucune surcharge d’étalonnage supplémentaire, ce travail établit des stratégies simples pour atténuer les effets contrarotatifs des entraînements puissants dans l’électrodynamique quantique des circuits et d’autres plates-formes, que les chercheurs espèrent être utiles dans les efforts visant à réaliser un contrôle haute fidélité des défauts. -informatique quantique tolérante.
Oliver ajoute : « Avec l’annonce récente de la puce quantique Willow de Google qui a démontré pour la première fois une correction d’erreur quantique au-delà du seuil, ce résultat arrive à point nommé, car nous avons poussé les performances encore plus haut. implémentant la correction d’erreurs. »
Plus d’informations :
David A. Rower et al, Suppression des erreurs contrarotatives pour les portes rapides à un seul qubit avec Fluxonium, PRX Quantique (2024). DOI : 10.1103/PRXQuantum.5.040342
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.