L'informatique quantique se rapproche de la réalité en tirant parti des oscillateurs harmoniques

La course à l’informatique quantique est brûlante depuis quelques années maintenant, la découverte de médicaments, la science des matériaux, l’optimisation, l’apprentissage automatique et la cryptographie ne étant que quelques-uns des domaines qui seront révolutionnés par ses avancées.

Mais malgré tous les progrès, la construction d’ordinateurs quantiques capables de résoudre des problèmes du monde réel a été freinée par trois grands défis : 

• États quantiques fragiles
• Se développer tout en gardant le contrôle
• Préserver la cohérence

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

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 valent 0 ou 1, les qubits peuvent être à la fois 0 et 1 et tout le reste. Les qubits peuvent également être intriqués les uns aux autres, permettant aux ordinateurs quantiques d'effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. 

Cependant, atteindre cette capacité a constitué un défi de taille. L’un des problèmes les plus importants est la fragilité des États quantiques. Les qubits sont sensibles à leur environnement et perdent rapidement leurs propriétés quantiques par décohérence, introduisant des erreurs dans le calcul quantique et limitant la profondeur des calculs.

Un autre problème majeur est la mise à l’échelle. À mesure que davantage de qubits sont ajoutés à un processeur quantique, il devient plus difficile de contrôler les interactions entre eux et de mettre en œuvre les portes quantiques. En effet, les systèmes de contrôle et les interactions entre qubits deviennent plus complexes.

Et il y a un compromis entre cohérence et 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, grâce à la mécanique quantique, peut être allumée et éteinte simultanément. À l'inverse, un système quantique à variable continue est comparable à un arc-en-ciel infini, offrant un dégradé de couleurs continu. 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 Chalmers et auteur principal de l'étude

Cliquez ici pour en savoir plus sur l'état actuel de l'informatique quantique. 

Non-linéarités accordables dans les circuits supraconducteurs

L'équipe de l'Université Chalmers, dirigée par les Drs. Axel M. Eriksson et Simone Gasparinetti ont résolu ces problèmes en utilisant des circuits supraconducteurs. Ils ont développé un composant spécial appelé résonateur à élément inductif asymétrique non linéaire supraconducteur (SNAIL).

Les SNAIL sont des éléments de circuit supraconducteurs dotés d'une non-linéarité forte et réglable. Il s'agit d'une boucle supraconductrice avec des jonctions Josephson, de fines barrières isolantes qui permettent aux paires de Cooper (paires d'électrons liées) de passer à travers. En disposant les jonctions de manière asymétrique, ils ont créé un élément de circuit à inductance non linéaire.

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

– Auteur principal, Dr Simone Gasparinetti, responsable du laboratoire 202Q de l'Université Chalmers

L’objectif principal de l’équipe Chalmers a été de placer un résonateur SNAIL à l’intérieur d’une cavité micro-onde supraconductrice, qui est un mode bosonique pour le codage des informations quantiques. Ils ont appliqué des impulsions micro-ondes à ce système hybride et activé et désactivé la non-linéarité du SNAIL pour effectuer toutes sortes d’opérations quantiques avec rapidité et précision.

Informatique quantique à variation continue

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

Dans un système quantique CV, les informations sont codées dans les quadratures d’amplitude et de phase d’un oscillateur harmonique, comme un champ de cavité micro-onde. Ces quadratures peuvent prendre une plage continue de valeurs, pas seulement 0 et 1 comme les qubits.

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

"Nous avons créé un système qui permet des opérations extrêmement complexes sur un système quantique multi-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 coder plusieurs qubits d'informations, ce qui signifie moins de matériel pour l'informatique quantique tolérante aux pannes.
(ii) Deuxièmement, la conscience des états CV permet de meilleurs codes de correction d'erreurs, nécessaires à l'informatique quantique avec bruit et décohérence.

Cependant, un gros problème de l’informatique quantique CV réside dans les opérations non gaussiennes, qui sont nécessaires à l’informatique quantique universelle. Les opérations gaussiennes telles que le déplacement et la compression de l'état de l'oscillateur peuvent être effectuées avec des éléments optiques linéaires ou des circuits micro-ondes, mais cela ne suffit pas pour l'accélération quantique car elle peut être simulée de manière classique.

Les opérations non gaussiennes nécessitent des interactions non linéaires, qui sont beaucoup plus difficiles à réaliser et à contrôler. Les tentatives précédentes visant à combiner des modes CV avec des éléments non linéaires ont été déjouées par l'effet Kerr, qui gâche les informations quantiques et réduit la fidélité des opérations.

L'équipe 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 la non-linéarité de troisième ordre nécessaire aux opérations non gaussiennes est préservée.

« Notre communauté a souvent essayé d’éloigner les éléments supraconducteurs des oscillateurs quantiques, pour ne pas brouiller les états quantiques fragiles. 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 capables de les contrôler et de les manipuler. En conséquence, nous avons démontré un nouvel ensemble d’opérations de porte effectuées à très grande vitesse. 

– Simone Gasparinetti

Un ensemble de portail universel

Pour montrer ce dont ils sont capables, ils ont créé une porte universelle sur leur plate-forme de résonateur SNAIL. Cela inclut des portes gaussiennes comme le déplacement et la compression et une porte de phase cubique, qui n'est pas gaussienne.

Les portes gaussiennes ont été réalisées en appliquant des impulsions micro-ondes à des fréquences spécifiques au circuit SNAIL. Conduire à la fréquence fondamentale donne un déplacement, et conduire à deux fois la fréquence fondamentale donne une compression. C'est pour préparer et manipuler des états cohérents et compressés, 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 applique un déphasage non linéaire à l'état de l'oscillateur qui est proportionnel au cube de l'amplitude, d'où le nom de « phase cubique ».

La porte de phase cubique est nécessaire pour l'informatique quantique CV universelle car elle crée des états hautement non classiques comme les états Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP), qui sont destinés à la correction d'erreurs quantiques tolérantes aux pannes. La porte de phase cubique avec les portes gaussiennes crée un état déterministe non gaussien appelé « état de phase cubique ».

Les portes réalisées par l'équipe Chalmers ont été réalisées 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 est dû à la forte non-linéarité du résonateur SNAIL.

Préparation déterministe de l’état de phase cubique

Un autre exemple est celui de l'équipe Chalmers qui utilise son jeu 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’erreurs quantiques, la métrologie quantique et l’informatique quantique basée sur les mesures 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 de compression de 20 ns a été appliquée pour créer un état de vide comprimé. Ensuite, une porte de phase cubique de 40 ns a été appliquée à cet état compressé, et voilà, un état de phase cubique avec une cubique de 0.11.

L'état a été caractérisé par tomographie de Wigner, qui réalise une distribution dans l'espace des phases de l'état quantique. 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 cubiqueté de l’état peut être augmentée simplement en prolongeant la durée de la porte de phase cubique. C'est bien mieux que les méthodes précédentes de préparation d'état, qui nécessitaient une réoptimisation complète de la séquence de contrôle pour chaque valeur de cubique.

Possibilité d'amélioration et travaux futurs

Même si ce que l’équipe Chalmers a fait est déjà louable, il reste encore beaucoup à faire :

Résonateur ESCARGOT

Une limitation 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 des circuits quantiques plus complexes et plus profonds. L'optimisation des paramètres du circuit SNAIL pour réduire le bruit de flux ainsi que le blindage et le filtrage de l'environnement micro-ondes sont des moyens d'améliorer la cohérence.

Ce tarif comprend :

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

Cliquez ici pour découvrir comment les émetteurs quantiques et les lasers infrarouges peuvent nous aider à construire la prochaine génération d'ordinateurs quantiques.

Évolutivité

Un autre domaine à améliorer est l’évolutivité. L’expérience a été réalisée avec un seul SNAIL, mais un ordinateur quantique à grande échelle a besoin de plusieurs SNAIL. Pour évoluer, on pourrait utiliser plusieurs SNAIL, chacun connecté à sa propre cavité micro-ondes. Cette configuration permet la création de portes multi-qubits et d'états intriqués en concevant le couplage entre les cavités. Cependant, cela nécessite de contrôler la fabrication et le réglage des SNAIL pour qu’ils soient homogènes et reproductibles.

• Évolutivité (un SNAIL maintenant, mais un ordinateur quantique à grande échelle en a besoin de plusieurs)
• Une série d'escargots, 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 du réglage des SNAIL 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 à des nombres de photons plus élevés, ce qui limite la taille de l'espace de Hilbert calculatoire. 

Une façon de résoudre ce problème consiste à 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.

D’autres avancées plausibles incluent :

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

Pour l’avenir, l’équipe Chalmers souhaite intégrer sa plate-forme de résonateur SNAIL à d’autres architectures informatiques quantiques 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 multi-qubits complexes. Les portes CV rapides et efficaces de ce travail peuvent être utilisées pour la correction d’erreurs quantiques sur les qubits codés, ce qui rendra les processeurs quantiques plus robustes et évolutifs.

Une perspective passionnante à espérer est l’intégration de la plate-forme de résonateur SNAIL avec des systèmes quantiques optiques. Les circuits supraconducteurs sont bons pour l'informatique quantique, qui fonctionnent aux fréquences micro-ondes et aux 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 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.

Emballer

Ce que l’équipe Chalmers a réalisé constitue une avancée majeure pour les ordinateurs quantiques pratiques. Ils ont utilisé la non-linéarité réglable dans des circuits supraconducteurs pour développer un ordinateur quantique matériel efficace et contrôlable, capable d'effectuer rapidement et avec précision des opérations complexes sur des états quantiques multidimensionnels.

Cela représente un nouveau paradigme dans le calcul CV-NISQ. Les résonateurs SNAIL peuvent résoudre des problèmes difficiles en matière de chimie quantique, d’optimisation et d’apprentissage automatique. À mesure que cette technologie mûrit et évolue, elle ouvrira la voie à des applications impossibles à réaliser avec les ordinateurs classiques.

Cependant, la construction d’ordinateurs quantiques à grande échelle et tolérants aux pannes présente encore des défis importants, notamment le temps de cohérence des circuits supraconducteurs, le nombre de qubits et de modes CV, ainsi que les interfaces entre les plates-formes informatiques quantiques.

Malgré ces défis, l’informatique quantique en tant que science appliquée a parcouru un long chemin et l’équipe Chalmers a joué un rôle déterminant pour repousser ses limites. Ils ont enrichi la boîte à outils de l’informatique quantique et nous ont montré de nouvelles façons d’utiliser la mécanique quantique. Nous nous rapprochons désormais d’une informatique quantique accessible.

Alors que la théorie et les expériences évoluent plus rapidement, l’avenir de l’informatique quantique n’a jamais été aussi prometteur. Les ordinateurs quantiques offriront des accélérations exponentielles pour un large éventail de tâches informatiques dans des domaines tels que la découverte de médicaments, la conception de matériaux, la cryptographie et l'intelligence artificielle. Associées aux avancées technologiques telles que l’IA, ces évolutions nous assurent que le monde est à l’aube de changements transformateurs difficiles à imaginer pleinement.

Cliquez ici pour consulter une liste des cinq meilleures sociétés d'informatique quantique.