Les ordinateurs quantiques pourraient surpasser l'informatique conventionnelle dans des tâches essentielles, mais ils sont sujets à des erreurs qui conduisent finalement à la perte d'informations quantiques, limitant ainsi les dispositifs quantiques d'aujourd'hui. Par conséquent, pour réaliser des processeurs d’informations quantiques à grande échelle, les scientifiques doivent développer et mettre en œuvre des stratégies permettant de corriger les erreurs quantiques.

Chercheurs de la société d'informatique quantique basée à Paris Alice et Bob, en collaboration avec des collègues de l'ENS-PSL et de l'ENS de Lyon, ont désormais fait des progrès significatifs vers une solution en améliorant la stabilité et le contrôle de ce que l'on appelle qubits de chat. Nommés d'après la célèbre expérience de pensée d'Erwin Schrödinger, ces bits quantiques utilisent les états cohérents d'un résonateur quantique comme états logiques. Les qubits Cat sont prometteurs pour la correction des erreurs quantiques car ils sont construits à partir d’états cohérents, ce qui les rend intrinsèquement robustes face à certains types d’erreurs provenant de l’environnement.

Un nouveau protocole de mesure

Les bits quantiques souffrent de deux types d’erreurs : les inversions de phase et les inversions de bits. En informatique quantique, un bit flip est une erreur qui change l'état d'un qubit de |0⟩ à |1⟩ ou vice versa, analogue au retournement d'un bit classique de 0 à 1. Un retournement de phase, en revanche, est une erreur qui modifie la phase relative entre les composants |0⟩ et |1⟩ de l'état de superposition d'un qubit. Les qubits Cat peuvent être stabilisés contre les erreurs de retournement de bits en couplant le qubit à un environnement qui échange préférentiellement des paires de photons avec le système. Cela neutralise de manière autonome les effets de certaines erreurs qui génèrent des retournements de bits et garantit que l'état quantique reste dans le sous-espace corrigé des erreurs souhaité. Cependant, le défi de la correction des erreurs quantiques ne consiste pas seulement à stabiliser les qubits. Il s’agit aussi de les contrôler sans briser les mécanismes qui assurent leur stabilité.

In le premier d'une paire d'études publiées sur le arXiv serveur de prépublication, et non encore évalué par les pairs, des chercheurs d'Alice & Bob, de l'ENS-PSL et de l'ENS de Lyon ont trouvé un moyen d'augmenter le temps de retournement de bits à plus de 10 secondes, soit quatre ordres de grandeur plus long que les précédentes implémentations cat-qubit – tout en contrôlant totalement le qubit du chat. Ils y sont parvenus en introduisant un protocole de lecture qui ne compromet pas la protection contre les retournements de bits dans leur qubit chat, qui consiste en une superposition quantique de deux états quantiques classiques piégés dans un résonateur quantique supraconducteur sur une puce. Surtout, le nouveau schéma de mesure qu'ils ont conçu pour lire et contrôler ces états de qubit ne repose pas sur des éléments de contrôle physiques supplémentaires, qui limitaient auparavant les temps de retournement de bit réalisables.

Les conceptions d’expériences précédentes utilisaient un transmon supraconducteur – un élément quantique à deux niveaux – pour contrôler et lire l’état du qubit chat. Ici, les chercheurs ont conçu un nouveau système de lecture et de contrôle qui utilise le même résonateur auxiliaire qui fournit le mécanisme de stabilisation à deux photons pour le qubit chat. Dans le cadre de ce projet, ils ont mis en œuvre une porte dite holonomique qui transforme la parité de l'état quantique en nombre de photons dans le résonateur. La parité des nombres de photons est une propriété caractéristique du qubit chat : une superposition égale des deux états cohérents ne contient que des superpositions de nombres de photons pairs, alors que la même superposition mais avec un signe moins ne contient que des superpositions de nombres de photons impairs. La parité fournit donc des informations sur l’état dans lequel se trouve le système quantique.

Repenser la stabilisation des qubits de chat

L'équipe d'Alice & Bob a préparé et imagé des états de superposition quantique tout en contrôlant également la phase de ces superpositions et en maintenant un temps de retournement de bit supérieur à 10 secondes et un temps de retournement de phase supérieur à 490 ns. La réalisation complète d'un ordinateur quantique à grande échelle et à correction d'erreurs basé sur des qubits de chat nécessitera cependant non seulement un bon contrôle et une lecture rapide, mais également un moyen de garantir que le qubit de chat reste stable suffisamment longtemps pour effectuer des calculs. Des chercheurs d'Alice & Bob et de l'ENS de Lyon ont abordé cette tâche importante et difficile dans le cadre du deuxième étude.

Pour réaliser un qubit cat stabilisé, le système peut être piloté par un processus à deux photons qui injecte des paires de photons tout en dissipant seulement deux photons à la fois. Cela se fait généralement en couplant le qubit cat à un résonateur auxiliaire et en pompant un élément appelé SQUID à filetage asymétrique (ATS) avec des impulsions micro-ondes réglées avec précision.. Cette approche présente cependant des inconvénients importants, tels que l’accumulation de chaleur, l’activation de processus indésirables et la nécessité d’un système électronique micro-ondes volumineux.

Pour atténuer ces problèmes, les chercheurs ont repensé le mécanisme de dissipation à deux photons afin qu’il ne nécessite pas une telle pompe supplémentaire. Au lieu d'un ATS, ils ont implémenté le qubit cat dans un mode oscillateur supraconducteur couplé à un mode auxiliaire avec perte via un élément non linéaire constitué de plusieurs jonctions Josephson. L'élément Josephson sert de « mélangeur » qui permet de faire correspondre exactement l'énergie de deux photons qubit chat à celle d'un photon dans le résonateur auxiliaire. En conséquence, dans ce processus dit autoparamétrique, des paires de photons dans le résonateur qubit cat sont transformées en un seul photon du mode tampon sans qu'il soit nécessaire de recourir à une pompe micro-ondes supplémentaire.

En concevant un circuit supraconducteur avec une structure symétrique, l’équipe a pu coupler un résonateur de haute qualité avec un résonateur de mauvaise qualité via le même élément Josephson. Ils ont ainsi augmenté le taux de dissipation des deux photons d’un facteur 10 par rapport aux résultats précédents, avec un temps de retournement de bit approchant la seconde – limité dans ce cas par le transmon. Un taux de dissipation élevé à deux photons est nécessaire pour une manipulation rapide des qubits et des cycles courts de correction d’erreurs. Celles-ci sont cruciales pour corriger les erreurs d’inversion de phase restantes dans un code de répétition de qubits de chat.

Applications futures avec les qubits de chat

Gerhard Kirchmair, physicien à l'Institut d'optique quantique et d'information quantique d'Innsbruck, en Autriche, qui n'a participé à aucune des deux études, affirme que les deux travaux décrivent des étapes importantes vers la réalisation d'un qubit entièrement corrigé des erreurs. «Ce sont les prochaines étapes vers une correction complète des erreurs», déclare Kirchmair. "Ils démontrent clairement qu'il est possible d'obtenir une protection exponentielle contre les retournements de bits dans ces systèmes, ce qui démontre que cette approche est viable pour réaliser une correction complète des erreurs quantiques."

Les chercheurs reconnaissent que des obstacles importants subsistent. La précision de la lecture utilisant le protocole de porte holonomique étant plutôt limitée, ils souhaitent trouver des moyens de l’améliorer. La démonstration de portes impliquant plusieurs qubits cat et la vérification si la protection inhérente contre le retournement de bits demeure sera une autre étape importante. De plus, grâce à la nouvelle configuration d'un dispositif autoparamétrique pour échanger des paires de photons, Raphaël Lescanne, co-fondateur d'Alice & Bob, prévoit de pouvoir stabiliser un qubit de chat en utilisant quatre états cohérents différents au lieu de seulement deux. "Notre objectif est d'utiliser la force de couplage non linéaire sans précédent pour stabiliser un qubit chat à quatre composants, ce qui offrirait sur place protection contre les erreurs d'inversion de phase ainsi que protection contre les erreurs d'inversion de bits », explique Lescanne.

Kirchmair pense que ces résultats ouvrent la voie à des schémas de correction d'erreurs plus élaborés reposant sur ces qubits fortement biaisés par le bruit, où le taux de retournement de bits est bien inférieur au taux de retournement de phase restant. "Les prochaines étapes consisteront à faire évoluer ce système pour corriger également les inversions de phase, réalisant ainsi un qubit entièrement corrigé des erreurs", explique Kirchmair. Monde de la physique. "On pourrait même imaginer combiner les deux approches dans un seul système pour tirer le meilleur parti des deux résultats et améliorer encore davantage les temps de retournement des bits."

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• La source: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/