La prochaine génération de dispositifs quantiques nécessite des qubits à haute cohérence qui sont moins sujets aux erreurs. En réponse à ce besoin, des chercheurs de l’AQT de Berkeley Lab, un laboratoire de recherche collaborative à la pointe de la technologie, ont développé un plan pour un nouveau processeur quantique basé sur des qubits « fluxonium ». Les qubits Fluxonium peuvent surpasser les qubits supraconducteurs les plus largement utilisés, offrant une voie prometteuse vers l’informatique quantique universelle tolérante aux pannes.
En collaboration avec des chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley et de l’Université de Yale, l’équipe AQT a lancé une étude théorique systématique sur la façon de concevoir des qubits de fluxonium pour des performances supérieures tout en offrant des suggestions pratiques pour adapter et construire le matériel de pointe qui exploitera pleinement le potentiel de l’informatique quantique. Leurs résultats ont été publiés dans la revue PRX Quantique.
A la pointe des processeurs supraconducteurs
Les processeurs quantiques supraconducteurs se composent de plusieurs qubits conçus pour avoir différentes fréquences de transition facilitant un contrôle précis des qubits individuels et de leurs interactions. Le qubit transmon, l’un des plus largement utilisés dans le domaine des processeurs supraconducteurs, présente généralement une faible anharmonicité. L’anharmonicité est la différence entre les fréquences de transition pertinentes dans un qubit. Une faible anharmonicité contribue à l’encombrement spectral (lorsque les fréquences qubit sont proches de résonner les unes avec les autres), ce qui rend le processeur plus difficile à contrôler car les fréquences qubit sont étroitement arrangées.
En revanche, une anharmonicité élevée permet aux chercheurs d’avoir un meilleur contrôle des qubits car il y a moins de chevauchement entre les fréquences qui contrôlent les qubits et celles qui conduisent un qubit donné à des niveaux d’énergie plus élevés. Le qubit fluxonium présente des avantages inhérents pour les processeurs supraconducteurs complexes, tels qu’une anharmonicité élevée, de longs temps de cohérence et un contrôle simple.
S’appuyant sur les solides antécédents de recherche et de développement d’AQT sur les circuits supraconducteurs, l’équipe à la tête de l’architecture à base de fluxonium s’est concentrée sur l’évolutivité et l’adaptabilité des principaux composants du processeur, avec un ensemble de paramètres que les chercheurs peuvent régler pour augmenter la durée d’exécution et la fidélité des circuits quantiques . Certaines de ces adaptations permettent une exploitation plus simple du système. Les chercheurs ont proposé, par exemple, de contrôler les qubits de fluxonium à basse fréquence (1 GHz) via des impulsions micro-ondes directement générées par un générateur de formes d’onde électriques arbitraires. Cette approche simple permet aux chercheurs de concevoir des processeurs et de configurer plusieurs qubits de manière flexible.
Approches flexibles avec des qubits fluxonium pour les dispositifs à grande échelle
Long B. Nguyen est scientifique de projet à l’AQT et auteur principal de l’article. Nguyen a commencé à rechercher des qubits supraconducteurs alternatifs en tant qu’étudiant diplômé de l’Université du Maryland travaillant avec le professeur Vladimir Manucharyan. Manucharyan a introduit les qubits de fluxonium sur le terrain une décennie plus tôt, et en 2019, Nguyen a démontré les temps de cohérence plus longs possibles avec les circuits de fluxonium. Le circuit de fluxonium est composé de trois éléments : un condensateur, une jonction Josephson et une superinductance, qui aide à supprimer le bruit de flux magnétique, une source typique d’interférences indésirables qui affecte les qubits supraconducteurs et provoque la décohérence.
« J’ai toujours voulu étudier une nouvelle physique, et je me suis concentré sur le fluxonium parce qu’il semblait être une meilleure alternative au transmon à l’époque. Il a trois éléments de circuit avec lesquels je pouvais jouer pour obtenir le type de spectre que je voulais. Il pourrait être conçu pour échapper à la décohérence due aux imperfections matérielles. J’ai également réalisé récemment que la mise à l’échelle du fluxonium est probablement plus favorable puisque le rendement de fabrication estimé est élevé et que les interactions entre les qubits individuels peuvent être conçues pour avoir une haute fidélité », a expliqué Nguyen.
Pour estimer et valider les performances du schéma directeur proposé pour le fluxonium, l’équipe de l’AQT, en collaboration avec les chercheurs de l’article, a simulé deux types de portes logiques quantiques programmables : la porte contrôlée par résonance croisée-NOT (CNOT) et la porte différentielle contrôlée ac-Stark. -Z (CZ). Les hautes fidélités résultant de la simulation des portes sur la gamme de paramètres de qubit proposés ont validé les attentes de l’équipe pour le plan suggéré.
« Nous avons fourni une voie potentielle vers la construction de processeurs au fluxonium avec des procédures standard et pratiques pour déployer des portes logiques à des fréquences variables. Nous espérons que davantage de R&D sur les alternatives au fluxonium et aux qubits supraconducteurs apporteront la prochaine génération de dispositifs pour le traitement de l’information quantique », a déclaré Nguyen. .
Plus d’information:
Long B. Nguyen et al, Blueprint for a High-Performance Fluxonium Quantum Processor, PRX Quantique (2023). DOI : 10.1103/PRXQuantum.3.037001. lien.aps.org/doi/10.1103/PRXQuantum.3.037001