L'informatique quantique se rapproche de la réalité grâce aux oscillateurs harmoniques

La course à l'ordinateur quantique est lancée depuis quelques années déjà. La découverte de médicaments, la science des matériaux, l'optimisation, l'apprentissage automatique et la cryptographie ne sont que quelques-uns des domaines qui seront révolutionnés par les progrès de l'ordinateur quantique.

Mais malgré tous les progrès accomplis, la construction d'ordinateurs quantiques capables de résoudre des problèmes concrets est freinée par trois grands défis : 

• États quantiques fragiles
• Augmenter l'échelle tout en gardant le contrôle
• Préserver la cohérence

Aujourd'hui, une équipe de l'université technologique de Chalmers, en Suède, a franchi une étape importante pour relever ces défis et accélérer le développement d'ordinateurs quantiques pratiques. Ils ont a récemment publié une nouvelle méthode dans la revue Nature pour la manipulation d'informations quantiques à l'aide d'une non-linéarité accordable dans des circuits supraconducteurs. Cela permet d'effectuer des opérations complexes sur des états quantiques multidimensionnels plus rapidement et avec plus de précision que jamais auparavant.

Construire des ordinateurs quantiques pratiques

Au cœur de l'informatique quantique se trouve le bit quantique, ou qubit, l'unité fondamentale de l'information quantique. Contrairement aux bits classiques, qui sont soit 0 soit 1, les qubits peuvent être à la fois 0 et 1 et tout ce qui se trouve entre les deux. Les qubits peuvent également être intriqués les uns avec les autres, ce qui permet aux ordinateurs quantiques d'effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. 

Toutefois, atteindre cette capacité constitue un défi de taille. L'un des principaux problèmes est la fragilité des états quantiques. Les Qubits sont sensibles à leur environnement et perdent rapidement leurs propriétés quantiques par décohérence, ce qui introduit des erreurs dans le calcul quantique et limite la profondeur des calculs.

Un autre problème majeur est celui de la mise à l'échelle. Plus on ajoute de qubits à un processeur quantique, plus il devient difficile de contrôler les interactions entre eux et de mettre en œuvre les portes quantiques. En effet, les systèmes de contrôle et la diaphonie entre les qubits deviennent plus complexes.

Il existe un compromis entre la cohérence et la contrôlabilité. Les techniques qui rendent les qubits plus cohérents, comme les codes de correction d'erreurs, nécessitent plus de ressources et limitent certaines opérations. Les systèmes qui contrôlent davantage les qubits individuels, comme les ions piégés ou les circuits supraconducteurs, sont plus bruyants et plus sujets à la décohérence.

"Imaginez un qubit comme une lampe bleue qui, du point de vue de la mécanique quantique, peut être allumée et éteinte simultanément. En revanche, un système quantique à variables continues est comme un arc-en-ciel infini, offrant un dégradé continu de couleurs. Cela illustre sa capacité à accéder à un grand nombre d'états, offrant des possibilités bien plus riches que les deux états du qubit". 

- Axel Eriksson, chercheur en technologie quantique à l'université de technologie de Chalmers et auteur principal de l'étude

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Non-linéarités accordables dans les circuits supraconducteurs

L'équipe de l'université Chalmers, dirigée par les docteurs Axel M. Eriksson et Simone Gasparinetti, a résolu ces problèmes en utilisant des circuits supraconducteurs. Ils ont mis au point un composant spécial appelé résonateur SNAIL (Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement).

Les SNAILs sont des éléments de circuits supraconducteurs dotés d'une forte non-linéarité accordable. Il s'agit d'une boucle supraconductrice dotée de jonctions Josephson, de minces barrières isolantes qui permettent aux paires de Cooper (paires d'électrons liés) de se frayer un chemin. En disposant les jonctions de manière asymétrique, les chercheurs ont créé un élément de circuit doté d'une inductance non linéaire.

"Nous avons créé un système qui permet d'effectuer des opérations complexes sur un système quantique multi-états plus rapidement que jamais auparavant". 

- Auteur principal : Simone Gasparinetti, chef du laboratoire 202Q à l'université de Chalmers.

L'équipe de Chalmers a placé un résonateur SNAIL à l'intérieur d'une cavité supraconductrice à micro-ondes, qui est un mode bosonique permettant d'encoder des informations quantiques. Ils ont appliqué des impulsions micro-ondes à ce système hybride et ont activé et désactivé la non-linéarité dans le SNAIL pour effectuer toutes sortes d'opérations quantiques rapidement et avec précision.

Calcul quantique à variables continues

L'une des particularités de l'approche de l'équipe de Chalmers est qu'elle va au-delà du paradigme du qubit et utilise des états quantiques à variation continue (CV).

Dans un système quantique CV, l'information est codée dans les quadratures d'amplitude et de phase d'un oscillateur harmonique, comme un champ de cavité micro-ondes. Ces quadratures peuvent prendre une gamme continue de valeurs, et pas seulement 0 et 1 comme les qubits.

Selon l'auteur principal, le Dr Simone Gasparinetti, responsable du laboratoire 202Q à l'université de Chalmers :

"Nous avons créé un système qui permet d'effectuer des opérations extrêmement complexes sur un système quantique à plusieurs états, à une vitesse sans précédent". 

L'approche CV présente des avantages par rapport à l'informatique quantique à variables discrètes.

(i) Premièrement, un seul mode CV peut encoder plusieurs qubits d'information, ce qui signifie moins de matériel pour l'informatique quantique tolérante aux pannes.
(ii) Deuxièmement, la conscience des états CV permet d'améliorer les codes de correction d'erreur, qui sont nécessaires pour l'informatique quantique avec le bruit et la décohérence.

Cependant, les opérations non gaussiennes, nécessaires à l'informatique quantique universelle, posent un problème majeur à l'informatique quantique CV. Les opérations gaussiennes telles que le déplacement et la compression de l'état de l'oscillateur peuvent être réalisées avec des éléments optiques linéaires ou des circuits à micro-ondes, mais cela ne suffit pas pour accélérer le calcul quantique, car elles peuvent être simulées de manière classique.

Les opérations non gaussiennes nécessitent des interactions non linéaires, qui sont beaucoup plus difficiles à réaliser et à contrôler. Les précédentes tentatives de combinaison de modes CV avec des éléments non linéaires ont été contrecarrées par l'effet Kerr, qui perturbe l'information quantique et réduit la fidélité de l'opération.

L'équipe de Chalmers a résolu ce problème en concevant la non-linéarité à l'intérieur du résonateur SNAIL. Ils font fonctionner le SNAIL à un point dit "sans Kerr", où la non-linéarité Kerr indésirable est supprimée et où la non-linéarité de troisième ordre, nécessaire pour les opérations non gaussiennes, est préservée.

"Notre communauté a souvent essayé de maintenir les éléments supraconducteurs à l'écart des oscillateurs quantiques, afin de ne pas brouiller les fragiles états quantiques. Dans ce travail, nous avons remis en question ce paradigme. En intégrant un dispositif de contrôle au cœur de l'oscillateur, nous avons pu éviter de brouiller les nombreux états quantiques tout en étant en mesure de les contrôler et de les manipuler. En conséquence, nous avons démontré un nouvel ensemble d'opérations de porte réalisées à très grande vitesse". 

- Simone Gasparinetti

Un jeu de portes universel

Pour montrer ce qu'ils peuvent faire, ils ont créé un ensemble de portes universelles sur leur plate-forme de résonateur SNAIL. Cet ensemble comprend des portes gaussiennes telles que le déplacement et l'écrasement, ainsi qu'une porte de phase cubique, qui n'est pas gaussienne.

Les portes gaussiennes ont été fabriquées en appliquant des impulsions micro-ondes à des fréquences spécifiques au circuit SNAIL. L'impulsion à la fréquence fondamentale donne un déplacement, et l'impulsion à deux fois la fréquence fondamentale donne un écrasement. Cela permet de préparer et de manipuler des états cohérents et comprimés, qui sont les blocs du traitement de l'information quantique CV.

La porte à phase cubique a été réalisée en combinant une interaction "trisqueezing" (entraînement à trois fois la fréquence fondamentale) avec des entraînements à des fréquences plus basses. Cela permet d'appliquer à l'état de l'oscillateur un déphasage non linéaire proportionnel au cube de l'amplitude, d'où le nom de "phase cubique".

La porte de phase cubique est nécessaire à l'informatique quantique CV universelle car elle produit des états hautement non classiques tels que les états Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP), qui permettent une correction d'erreur quantique tolérante aux fautes. La porte de phase cubique avec des portes gaussiennes produit un état déterministe non gaussien appelé "état de phase cubique".

Les portes réalisées par l'équipe de Chalmers ont été fabriquées avec des impulsions aussi courtes que des dizaines de nanosecondes. C'est 10 à 100 fois plus rapide que les implémentations précédentes avec des couplages qubit-oscillateur dispersifs. Cela s'explique par la forte non-linéarité du résonateur SNAIL.

Préparation déterministe de l'état de la phase cubique

Un autre exemple est celui de l'équipe de Chalmers qui utilise son ensemble de portes universelles pour créer un état quantique hautement non classique appelé état de phase cubique. Les états de phase cubiques sont nécessaires pour la correction d'erreur quantique, la métrologie quantique et l'informatique quantique basée sur la mesure CV.

La préparation de l'état de phase cubique a été réalisée en appliquant des portes à l'état fondamental (vide) du résonateur SNAIL. Tout d'abord, une porte d'écrasement de 20 ns a été appliquée pour créer un état de vide écrasement. Ensuite, une porte de phase cubique de 40 s a été appliquée à cet état comprimé, et voilà, un état de phase cubique avec une cubicité de 0,11.

L'état a été caractérisé par la tomographie de Wigner, qui permet d'obtenir une distribution de l'état quantique dans l'espace des phases. La fonction de Wigner était fortement négative, ce qui n'est pas classique et ne peut être observé dans aucun état d'oscillateur classique.

La fidélité de l'état de phase cubique par rapport à l'état cible était de 92%. Ils ont montré que la cubicité de l'état peut être augmentée en prolongeant simplement la durée de la porte de la phase cubique. C'est beaucoup mieux que les méthodes précédentes de préparation de l'état, qui nécessitaient une réoptimisation complète de la séquence de contrôle pour chaque valeur de cubicité.

Possibilités d'amélioration et travaux futurs

Si l'action de l'équipe Chalmers est déjà louable, il reste encore beaucoup à faire :

Résonateur SNAIL

L'une des limites des opérations quantiques est le temps de cohérence du résonateur SNAIL. Ils ont des temps de cohérence de quelques microsecondes, ce qui est suffisant pour l'instant, mais des temps de cohérence plus longs permettront de réaliser des circuits quantiques plus complexes et plus profonds. L'optimisation des paramètres du circuit SNAIL pour réduire le bruit de flux et le blindage et le filtrage de l'environnement micro-ondes sont des moyens d'améliorer la cohérence.

Il s'agit notamment de

• Temps de cohérence du résonateur SNAIL (quelques microsecondes suffisent pour l'instant, mais un temps plus long permettra de réaliser des circuits plus complexes)
• Optimisation des paramètres du circuit SNAIL pour réduire le bruit du flux
• Blindage et filtrage de l'environnement micro-ondes

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Évolutivité

Un autre domaine à améliorer est celui de l'évolutivité. L'expérience a été réalisée avec une SNAIL, mais un ordinateur quantique à grande échelle nécessite plusieurs SNAIL. Pour passer à l'échelle supérieure, on pourrait utiliser plusieurs SNAIL, chacune connectée à sa propre cavité micro-ondes. Cette configuration permet de créer des portes à qubits multiples et des états intriqués en concevant le couplage entre les cavités. Cependant, il faut pour cela contrôler la fabrication et le réglage des SNAILs pour qu'ils soient homogènes et reproductibles.

• Évolutivité (un seul SNAIL aujourd'hui, mais un ordinateur quantique à grande échelle en nécessiterait plusieurs)
• Un réseau de SNAILs, chacun avec sa propre cavité micro-ondes
• Portes multi-qubits et états intriqués à travers le réseau par couplage entre cavités
• Contrôle de la fabrication et de la mise au point des SNAILs pour qu'ils soient homogènes et reproductibles

Outre l'augmentation du nombre de modes CV, nous devons également augmenter le nombre de photons dans chaque mode. La non-linéarité du résonateur SNAIL s'écarte de son comportement idéal lorsque le nombre de photons est plus élevé, ce qui limite la taille de l'espace de Hilbert de calcul. 

Une façon d'y remédier est d'utiliser une conception multi-SNAIL dans laquelle la non-linéarité de chaque SNAIL est conçue pour s'annuler aux ordres supérieurs tout en préservant les interactions d'ordre inférieur.

Parmi les autres avancées plausibles, on peut citer

• Plus de modes CV
• Plus de photons dans chaque mode
• La non-linéarité du résonateur SNAIL l'éloigne d'un comportement idéal lorsque le nombre de photons est élevé.
• Limite la taille de l'espace de Hilbert de calcul
• Conception multi-SNAIL : la non-linéarité de chaque SNAIL s'annule aux ordres supérieurs tout en préservant les interactions d'ordre inférieur.

À l'avenir, l'équipe de Chalmers souhaite intégrer sa plate-forme de résonateur SNAIL à d'autres architectures d'informatique quantique pour créer des systèmes hybrides. Par exemple, les interactions médiées par SNAIL peuvent être utilisées pour enchevêtrer des qubits supraconducteurs et des modes CV afin de créer des états multiqubits complexes. Les portes CV rapides et efficaces de ce travail peuvent être utilisées pour la correction d'erreur quantique sur les qubits encodés, ce qui permettra de créer des processeurs quantiques plus robustes et plus évolutifs.

L'intégration de la plateforme du résonateur SNAIL dans les systèmes quantiques optiques est une perspective passionnante. Les circuits supraconducteurs, qui fonctionnent à des fréquences micro-ondes et à des températures cryogéniques, sont bons pour l'informatique quantique. En revanche, les systèmes quantiques optiques, qui fonctionnent à température ambiante, sont idéaux pour la communication quantique à longue distance. En développant un convertisseur de fréquence quantique, nous pouvons combiner le meilleur des deux mondes pour créer un ordinateur quantique évolutif et en réseau.

Synthèse

Ce que l'équipe de Chalmers a réalisé est une avancée majeure pour les ordinateurs quantiques pratiques. Elle a utilisé la non-linéarité accordable dans les circuits supraconducteurs pour mettre au point un ordinateur quantique efficace et contrôlable, capable d'effectuer rapidement et avec précision des opérations complexes sur des états quantiques multidimensionnels.

Il s'agit d'un nouveau paradigme dans le domaine de l'informatique CV-NISQ. Les résonateurs SNAIL peuvent résoudre des problèmes difficiles en chimie quantique, en optimisation et en apprentissage automatique. Au fur et à mesure que cette technologie mûrit et s'étend, elle ouvrira la voie à des applications qui ne sont pas possibles avec des ordinateurs classiques.

Cependant, la construction d'ordinateurs quantiques à grande échelle et tolérants aux pannes présente encore des défis considérables, notamment en ce qui concerne le temps de cohérence des circuits supraconducteurs, le nombre de qubits et de modes CV, et les interfaces entre les plates-formes d'informatique quantique.

Malgré ces défis, l'informatique quantique en tant que science appliquée a parcouru un long chemin, et l'équipe de Chalmers a joué un rôle déterminant en repoussant ses limites. Elle a enrichi la boîte à outils de l'informatique quantique et nous a montré de nouvelles façons d'utiliser la mécanique quantique. Aujourd'hui, nous nous rapprochons de l'informatique quantique accessible.

Alors que la théorie et les expériences s'accélèrent, l'avenir de l'informatique quantique n'a jamais été aussi prometteur. Les ordinateurs quantiques permettront des accélérations exponentielles pour un large éventail de tâches de calcul dans des domaines tels que la découverte de médicaments, la conception de matériaux, la cryptographie et l'intelligence artificielle. Associés aux progrès de technologies telles que l'IA, ces développements nous assurent que le monde est à l'aube de changements transformateurs qu'il est difficile d'envisager pleinement.

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