L’échange rapide de photons crée une porte quantique de haute qualité – Physics World

Les ordinateurs quantiques pourraient révolutionner la science, mais les bits quantiques (qubits) sur lesquels ils fonctionnent sont fragiles. Être capable de manipuler ces qubits rapidement, avant que les interactions avec leur environnement n’entraînent la dégradation des informations quantiques qu’ils contiennent, est donc crucial pour les calculs quantiques.

Un moyen prometteur de stocker un bit quantique consiste à le coder dans les niveaux d’énergie discrets de la lumière au sein d’un résonateur quantique tel qu’une cavité supraconductrice. La manipulation de plusieurs de ces cavités peut toutefois s'avérer difficile en raison d'interactions parasites ou de canaux d'erreur supplémentaires qui affectent les informations quantiques stockées. Des chercheurs du Institut quantique de Yale aux États-Unis ont maintenant trouvé une solution partielle à ce problème en concevant un système qui fait passer rapidement les photons d'une cavité à une autre sans endommager leurs états quantiques. Ce résultat constitue une étape essentielle vers des portes quantiques rapides et de haute qualité pour les ordinateurs quantiques basés sur des résonateurs.

Ingénierie d'une interaction séparateur de faisceau à l'aide d'un SNAIL

Dans l'étude publiée dans PRX Quantique, chercheurs en Le laboratoire de Robert Schoelkopf à Yale, on a utilisé un élément de couplage appelé SNAIL (élément inductif asymétrique non linéaire supraconducteur) pour médier une interaction d'échange entre deux cavités micro-ondes supraconductrices. En réglant le SNAIL à l’aide d’un champ magnétique externe, ils ont supprimé les interactions parasites entre les deux cavités, ne laissant que ce que l’on appelle « »diviseur faisceau" interaction. Semblable à l'optique linéaire dans laquelle un faisceau lumineux peut être divisé en deux à l'aide (par exemple) d'un miroir semi-transparent, cette interaction permet aux deux cavités d'échanger des excitations dans un rapport 50:50 pendant un temps d'interaction spécifique.

Pour le démontrer, les chercheurs ont initialisé un résonateur avec un seul photon, laissant l’autre résonateur dans le vide. Lorsqu'ils ont réglé le coupleur SNAIL sur le régime de fonctionnement optimal, ils ont observé les deux cavités échangeant le photon entre elles 500 fois avant que le système ne se décohére (c'est-à-dire qu'il perde sa nature quantique en raison d'interactions résiduelles avec l'environnement), avec un temps de seulement 250 nanosecondes par échange.

L'un des objectifs des chercheurs était que les résonateurs échangent rapidement des photons lorsque le couplage est activé, tout en garantissant que les cavités n'interagissent pas lorsque l'interaction est désactivée, évitant ainsi les effets néfastes sur les informations quantiques stockées. À cette fin, les chercheurs ont mesuré la vitesse à laquelle les photons sont échangés par rapport à l'interaction la plus importante entre les périodes sans interaction. Ils ont constaté que la valeur de ce rapport marche-arrêt dépassait 105, ce qui indique des interactions indésirables minimes provoquées par l'élément de couplage.

"Le coupleur SNAIL présenté dans ce travail permet une interaction rapide entre les qubits codés dans des cavités adjacentes, tout en supprimant à la fois les interactions susceptibles de dégrader la cohérence des qubits, ainsi que celles qui induisent des couplages indésirables entre les qubits", explique Stijn de Graaf, chercheur. Doctorant à Yale et l'un des auteurs de l'étude. Ces deux effets, ajoute-t-il, « ont finalement limité les approches précédentes ».

Échange contrôlé de photons avec un qubit

Comme première application de leur nouveau dispositif, les chercheurs ont mis en œuvre une opération d’échange des deux cavités qui peut être contrôlée par un qubit connecté à l’un des résonateurs. Si ce qubit de contrôle est dans l’état fondamental, aucun photon n’échange entre les deux cavités, mais si le qubit de contrôle est excité, les états dans les cavités changent de place.

Cette opération dite de SWAP contrôlé est une porte cruciale pour les implémentations quantiques de la mémoire vive quantique (QRAM) et de nombreux algorithmes quantiques. En préparant le qubit de contrôle dans une superposition égale entre ses deux niveaux d’énergie, l’équipe a également créé un état de Bell – un état intriqué au maximum dans les deux cavités qui peut être créé à partir d’une superposition égale d’états échangés et non échangés dans les cavités.

Application aux qubits double rail

Les chercheurs espèrent que d’autres utiliseront leurs découvertes pour concevoir des familles de portes détectables d’erreurs sur des qubits codés dans les niveaux d’énergie des résonateurs quantiques. Ces soi-disant codes bosoniques montrent un grand potentiel pour la mise en œuvre d’une correction d’erreurs quantiques efficace sur le plan matériel, ce qui est crucial pour le développement d’ordinateurs quantiques à grande échelle.

Les résonateurs en silicium réussissent le test de Bell pour l'intrication quantique

À plus court terme, de Graaf affirme que l'objectif principal de l'équipe est d'utiliser l'outil dont elle dispose pour mettre en œuvre l'un des éléments constitutifs clés du nouveau projet proposé. qubit supraconducteur à double rail. Ce type de qubit utilise un seul photon stocké dans l’une des deux cavités micro-ondes comme états logiques, et permet de détecter et de signaler des erreurs spécifiques. Une erreur peut alors être traitée ultérieurement dans le calcul quantique. Si les erreurs peuvent être détectées avec une très grande efficacité, un calcul quantique évolutif pourrait être possible sans avoir recours à une correction active des erreurs. L’interaction rapide entre séparateur de faisceau présentée dans ce travail constitue donc un élément essentiel pour détecter la perte de photons uniques dans le qubit à double rail, qui constitue actuellement la source d’erreurs la plus importante sur cette plate-forme matérielle.

Pour y parvenir, il faudra cependant quelques améliorations techniques. « Il ne fait aucun doute que nous souhaitons continuer à accroître la fidélité de toutes les opérations de ce programme », déclare de Graaf. "Cela permettra des taux d'erreur aussi inférieurs que possible aux seuils de correction d'erreurs quantiques et nous permettra donc de réduire considérablement le nombre de qubits requis pour un ordinateur quantique tolérant aux pannes."

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• La source: https://physicsworld.com/a/rapidly-swapping-photons-make-a-high-quality-quantum-gate/