NUST MISiS : un nouveau qubit fonctionne désormais sans interruption

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Un groupe international de scientifiques de Russie, du Royaume-Uni et d'Allemagne a présenté un modèle de qubit alternatif qui peut servir à construire un ordinateur quantique. Des nanofils supraconducteurs constituent l'élément principal du modèle. Lors des premières expériences, le nouveau qubit supraconducteur a présenté des performances similaires au qubit traditionnel basé sur les jonctions Josephson. 

     (Photo: https://mma.prnewswire.com/media/676855/NUST_MISIS_New_Qubit.jpg )

L'équipe de scientifiques issus du Russian Quantum Center et de la NUST MISiS en Russie, de l'université de Londres et du National Physical Laboratory de Teddington au Royaume-Uni, ainsi que de l'Institut de technologie de Karlsruhe et de l'IPHT Jena en Allemagne, qui a également compté avec des contributions du MIPT et de Skoltech (Russie), est parvenue à créer un tout nouveau qubit ne reposant pas sur l'effet Josephson, qui requiert une rupture entre deux supraconducteurs, mais sur un nanofil supraconducteur continu. L'étude a été publiée dans Nature Physics.

Les scientifiques s'attendent à ce que les ordinateurs quantiques ouvrent de nouveaux horizons. Bien que l'ordinateur quantique universel n'ait pas encore été créé, les scientifiques peuvent déjà concevoir des composés chimiques et des matériaux avec l'aide de qubits. Le principe de calcul basé sur ces qubits permet déjà aux chercheurs de résoudre des problèmes complexes. C'est la raison pour laquelle des groupes de scientifiques travaillent à améliorer les éléments des ordinateurs quantiques. L'étude et l'amélioration des qubits, qui sont les principales cellules de calcul de l'ordinateur quantique, sont les aspects les plus problématiques de ce processus.

Plusieurs approches existent pour créer des qubits. Par exemple, il y a les qubits qui fonctionnent dans le spectre optique. Cependant, ceux-ci sont difficiles à créer en plus grand nombre, contrairement aux qubits supraconducteurs qui fonctionnent dans le spectre radioélectrique et sont basés sur les transitions dites de Josephson. Chaque transition correspond à un « vide » dans le supraconducteur, ou pour être plus précis, à une couche diélectrique que les électrons franchissent par effet tunnel.

Le nouveau qubit est basé sur l'effet de glissement de phase quantique (« quantum phase slip »), c'est-à-dire la défaillance et le rétablissement périodiques de la supraconductivité dans les nanofils ultrafins (environ 4 nm) qui, dans leur état normal, présentent une résistance plutôt élevée. Le professeur Oleg Astafiev, directeur du laboratoire de systèmes quantiques artificiels au MIPT, en Russie, et chercheur à l'université de Londres et au National Physical Laboratory de Teddington (Royaume-Uni), a été le premier à observer expérimentalement cet effet, qui avait été théorisé auparavant. Son travail novateur a été publié dans Nature en 2012.

Le professeur Ustinov, l'un des chercheurs travaillant sur ce projet, responsable du groupe de recherche du RQC, directeur du laboratoire de métamatériaux supraconducteurs à la NUST MISiS et professeur à l'Institut de technologie de Karlsruhe (Allemagne), a remarqué que les chercheurs étaient parvenus à créer un nouveau type de dispositif supraconducteur qui était similaire à de nombreux égards au SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), un magnétomètre ultrasensible basé sur l'effet Josephson.

Dans ce nouveau dispositif, l'interférence est causée par un champ électrique (au lieu d'un champ magnétique) qui modifie la charge électrique sur l'îlot entre les deux nanofils. Ces fils jouent le rôle de jonctions Josephson, et mieux encore, ils ne nécessitent pas la création d'une rupture et peuvent être fabriqués à partir d'une seule couche d'un supraconducteur.

D'après le professeur Ustinov, l'équipe internationale est parvenue à démontrer, dans le cadre de l'étude, que ce système pouvait fonctionner comme un interféromètre « chargeur ». « Si l'on divise le fil en deux sections et qu'on l'épaissit au centre, alors en modifiant la charge de cet épaississement avec l'obturateur, il est possible de créer une modulation périodique du processus de franchissement par effet tunnel des charges magnétiques à travers le fil, ce que l'on observe effectivement dans cette étude. »

Un point fondamental consistera à démontrer que l'effet est contrôlable et cohérent, et que le processus est applicable pour créer une nouvelle génération de qubits.

Les technologies SQUID ont déjà trouvé leur application dans plusieurs procédures d'imagerie médicale, telles que la magnétocardiographie et la magnétoencéphalographie, ainsi que dans des dispositifs de résonance magnétique nucléaire, et dans des méthodes géophysiques et paléogéologiques d'exploration des surfaces de la Terre. C'est précisément pour cela que les charges SQUID avancées pourront entraîner des changements importants, non seulement dans le monde de l'informatique quantique, mais dans la société dans son ensemble.

D'après le professeur Ustinov, les scientifiques sont confrontés à un grand nombre de tâches fondamentales liées à l'étude de ces nouveaux qubits. Cependant, il est désormais évident que leur fonctionnalité est équivalente, sinon meilleure que celle d'analogues modernes, tout en étant beaucoup plus simple à fabriquer.

« La principale question reste de savoir si l'ensemble des éléments électroniques supraconducteurs peut être construit sur ce principe. Le dispositif obtenu est un compteur électrique qui mesure la charge sur l'îlot du supraconducteur avec une marge d'erreur des milliers de fois inférieure à une charge électronique. Nous pouvons le contrôler avec la plus haute précision, car cette charge n'est pas quantifiée, mais induite. Mon groupe de recherche à Karlsruhe étudie actuellement les qubits utilisant le principe de glissement de phase, et les temps de cohérence que nous obtenons avec ceux-ci s'avèrent être étonnamment élevés. Pour l'instant, ils ne sont pas supérieurs à ceux des qubits conventionnels, mais nous commençons tout juste à travailler sur le projet, et il est possible qu'ils le deviennent. Par exemple, il y a un autre problème important qui est celui des défauts des qubits, un sujet pour lequel nous avons récemment reçu une bourse de la part de Google, et ces défauts surviennent dans la jonction tunnel diélectrique de la transition de Josephson. Les défauts surviennent car de puissants champs électriques se trouvent à cet endroit, et toute la tension est concentrée sur une échelle de seulement 2 nm. Si l'on imagine que la même chute se produit sur un fil homogène, et que nous ne savons pas exactement où elle se produit dans ce "flou" homogène à travers le supraconducteur, alors les champs qui surviennent ici seront beaucoup plus faibles. Cela signifie que les défauts qui se trouvent vraisemblablement dans les matériaux des qubits ne se produiront pas, et que nous pourrons obtenir des qubits avec un temps de cohérence plus élevé, ce qui nous aidera à résoudre l'un des principaux problèmes des qubits - leur faible "durée de vie" », a proclamé le professeur Ustinov.

Source : http://en.misis.ru/university/news/science/2018-04/5318/