Des scientifiques de NUST MISIS font un pas vers la suprématie quantique

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MOSCOU, 18 mars 2021 /PRNewswire/ -- Une équipe de recherche russo-allemande a créé un capteur quantique permettant de mesurer et manipuler les défauts individuels à deux niveaux dans les qubits. Réalisée par NUST MISIS (université nationale des sciences et technologies MISIS), le Centre quantique russe et l'Institut de technologie de Karlsruhe, et publiée dans npj Quantum Information, l'étude pourrait ouvrir la voie au développement de l'informatique quantique.

En informatique quantique, l'information est encodée en qubits. Les qubits (ou bits quantiques) représentent l'équivalent du bit classique en mécanique quantique et sont des systèmes cohérents à deux niveaux. Aujourd'hui, un des principaux types de qubits est le qubit supraconducteur, qui est basé sur la jonction Josephson. C'est ce type de qubit qu'utilisent IBM et Google dans leurs processeurs quantiques. Les scientifiques restent néanmoins à la recherche du qubit parfait : celui qui peut être précisément mesuré et contrôlé, et qui n'est pas affecté par son environnement.

L'élément clé d'un qubit supraconducteur est la jonction nanométrique Josephson supraconducteur-isolant-supraconducteur. Une jonction Josephson est une jonction à effet tunnel constituée de deux morceaux de métal supraconducteur qui sont séparés par une barrière isolante très fine. L'isolant le plus couramment utilisé est l'oxyde d'aluminium.

Les techniques modernes ne nous permettent pas de construire un qubit avec une précision absolue. Cette lacune donne lieu à des défauts à deux niveaux dans l'effet tunnel, ce qui limite la performance des dispositifs quantiques supraconducteurs et entraîne des erreurs de calcul. Ces défauts sont partiellement responsables de la durée de vie extrêmement courte des qubits, un phénomène aussi appelé décohérence.

Les défauts de l'effet tunnel présents dans l'oxyde d'aluminium et à la surface des supraconducteurs contribuent grandement aux fluctuations et aux pertes d'énergie dans les qubits supraconducteurs. Ils limitent ainsi la durée pendant laquelle les ordinateurs peuvent fonctionner. Les chercheurs expliquent que plus il y a de défauts matériels, plus la performance du qubit est affectée et plus les erreurs de calcul sont fréquentes.

Le nouveau capteur quantique permet de mesurer et manipuler les défauts individuels à deux niveaux dans les systèmes quantiques. Selon le professeur Alexey Ustinov, responsable du laboratoire des métamatériaux supraconducteurs à NUST MISIS, responsable de groupe du Centre quantique russe et co-auteur de l'étude, le capteur est lui-même un qubit supraconducteur qui permet de détecter et manipuler les défauts individuels. Les techniques traditionnelles employées pour étudier la structure des matériaux, telles que la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), ne sont pas assez sensibles pour détecter les petits défauts individuels. Elles ne nous aideront donc pas à construire le meilleur qubit. Selon les chercheurs, l'étude pourrait pour nous permettre d'utiliser la spectroscopie quantique matérielle pour étudier la structure des défauts dans l'effet de tunnel. Elle pourrait aussi ouvrir la voie au développement des diélectriques à perte minimale dont nous avons besoin de toute urgence pour faire progresser les ordinateurs quantiques supraconducteurs.

Lien : https://en.misis.ru/university/news/science/2021-03/7259/

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