La fibre optique pourrait augmenter la puissance des ordinateurs quantiques supraconducteurs
Les physiciens du NIST ont mesuré et contrôlé un bit quantique supraconducteur (qubit) en utilisant une fibre conductrice de lumière (indiquée par une flèche blanche) au lieu de câbles électriques métalliques comme les 14 montrés ici à l'intérieur d'un cryostat. En utilisant la fibre, les chercheurs pourraient potentiellement emballer un million de qubits dans un ordinateur quantique plutôt que quelques milliers. Crédit : F. Lecocq/NIST
Le secret de la construction d'ordinateurs quantiques supraconducteurs dotés d'une puissance de traitement massive pourrait être une technologie de télécommunication ordinaire : la fibre optique.
Des physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mesuré et contrôlé un bit quantique supraconducteur (qubit) en utilisant une fibre conductrice de lumière au lieu de fils électriques métalliques, ouvrant la voie à l'emballage d'un million de qubits dans un ordinateur quantique plutôt qu'un simple quelques milliers. La manifestation est décrite dans le numéro du 25 mars de Nature.
Les circuits supraconducteurs sont une technologie de pointe pour la fabrication d'ordinateurs quantiques car ils sont fiables et facilement produits en masse. Mais ces circuits doivent fonctionner à des températures cryogéniques, et les schémas de câblage à l'électronique à température ambiante sont complexes et sujets à la surchauffe des qubits. Un ordinateur quantique universel, capable de résoudre tout type de problème, devrait avoir besoin d'environ 1 million de qubits. Les cryostats conventionnels - les réfrigérateurs à dilution super froide - avec un câblage métallique ne peuvent en supporter que des milliers au maximum.
La fibre optique, l'épine dorsale des réseaux de télécommunications, possède un noyau en verre ou en plastique qui peut transporter un volume élevé de signaux lumineux sans conduire la chaleur. Mais les ordinateurs quantiques supraconducteurs utilisent des impulsions micro-ondes pour stocker et traiter les informations. La lumière doit donc être convertie précisément en micro-ondes.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs du NIST ont combiné la fibre avec quelques autres composants standard qui convertissent, transportent et mesurent la lumière au niveau de particules uniques, ou photons, qui pourraient ensuite être facilement converties en micro-ondes. Le système fonctionnait aussi bien que le câblage métallique et maintenait les états quantiques fragiles du qubit.
"Je pense que cette avancée aura un impact important car elle combine deux technologies totalement différentes, la photonique et les qubits supraconducteurs, pour résoudre un problème très important", a déclaré le physicien du NIST, John Teufel. "La fibre optique peut également transporter beaucoup plus de données dans un volume beaucoup plus petit que le câble conventionnel."
Normalement, les chercheurs génèrent des impulsions micro-ondes à température ambiante, puis les transmettent via des câbles métalliques coaxiaux à des qubits supraconducteurs maintenus cryogéniquement. La nouvelle configuration du NIST utilisait une fibre optique au lieu de métal pour guider les signaux lumineux vers des photodétecteurs cryogéniques qui reconvertissaient les signaux en micro-ondes et les transmettaient au qubit. À des fins de comparaison expérimentale, les micro-ondes pourraient être acheminées vers le qubit via la liaison photonique ou une ligne coaxiale régulière.
Le qubit "transmon" utilisé dans l'expérience sur les fibres était un dispositif connu sous le nom de jonction Josephson intégré dans un réservoir ou une cavité tridimensionnelle. Cette jonction est constituée de deux métaux supraconducteurs séparés par un isolant. Dans certaines conditions, un courant électrique peut traverser la jonction et peut osciller d'avant en arrière. En appliquant une certaine fréquence micro-onde, les chercheurs peuvent piloter le qubit entre les états basse énergie et excités (1 ou 0 en informatique numérique). Ces états sont basés sur le nombre de paires de Cooper - des paires liées d'électrons aux propriétés opposées - qui se sont "tunnelées" à travers la jonction.
L'équipe du NIST a mené deux types d'expériences, utilisant la liaison photonique pour générer des impulsions micro-ondes qui mesuraient ou contrôlaient l'état quantique du qubit. La méthode est basée sur deux relations : La fréquence à laquelle les micro-ondes rebondissent naturellement dans la cavité, appelée fréquence de résonance, dépend de l'état du qubit. Et la fréquence à laquelle le qubit change d'état dépend du nombre de photons dans la cavité.
Les chercheurs ont généralement commencé les expériences avec un générateur de micro-ondes. Pour contrôler l'état quantique du qubit, des dispositifs appelés modulateurs électro-optiques ont converti les micro-ondes en fréquences optiques plus élevées. Ces signaux lumineux ont traversé la fibre optique de la température ambiante à 4 kelvins (moins 269 C ou moins 452 F) jusqu'à 20 millikelvins (millièmes de kelvin), où ils ont atterri dans des photodétecteurs à semi-conducteurs à grande vitesse, qui ont reconverti les signaux lumineux en micro-ondes qui ont ensuite été envoyées au circuit quantique.
Dans ces expériences, les chercheurs ont envoyé des signaux au qubit à sa fréquence de résonance naturelle, pour le mettre dans l'état quantique souhaité. Le qubit oscillait entre ses états fondamental et excité lorsqu'il y avait une puissance laser adéquate.
Pour mesurer l'état du qubit, les chercheurs ont utilisé un laser infrarouge pour lancer de la lumière à un niveau de puissance spécifique à travers les modulateurs, la fibre et les photodétecteurs afin de mesurer la fréquence de résonance de la cavité.
Les chercheurs ont d'abord commencé à faire osciller le qubit, avec la puissance laser supprimée, puis ont utilisé la liaison photonique pour envoyer une faible impulsion micro-onde à la cavité. La fréquence de la cavité indiquait avec précision l'état du qubit 98 % du temps, le même précision tel qu'obtenu à l'aide de la ligne coaxiale régulière.
Les chercheurs envisagent un processeur quantique dans lequel la lumière dans les fibres optiques transmet des signaux vers et depuis les qubits, chaque fibre ayant la capacité de transporter des milliers de signaux vers et depuis le qubit.
Référence : « Control and readout of a supraconducting qubit using a photonic link » par F. Lecocq, F. Quinlan, K. Cicak, J. Aumentado, SA Diddams et JD Teufel, 24 mars 2021, Nature.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03268-x
