L'interrupteur à bascule réduit le bruit dans les ordinateurs quantiques

Un dispositif permettant de réduire le bruit dans les ordinateurs quantiques a été introduit par une équipe de scientifiques de l'Institut national américain des normes et de la technologie (NIST).

Un dispositif « interrupteur à bascule » connecte deux qubits supraconducteurs à un circuit appelé « résonateur de lecture » qui peut lire le résultat des calculs des qubits.

Cet interrupteur à bascule peut être basculé dans différents états pour ajuster la force des connexions entre les qubits et le résonateur de lecture.

Lorsqu'ils sont désactivés, les trois éléments sont isolés les uns des autres.

Lorsque le commutateur est activé pour connecter les deux qubits, ils peuvent interagir et effectuer des calculs.

Une fois les calculs terminés, l'interrupteur à bascule peut connecter l'un ou l'autre des qubits et le résonateur de lecture pour récupérer les résultats.

Avoir un interrupteur à bascule programmable contribue grandement à réduire le bruit, un problème courant dans les circuits informatiques quantiques qui rend difficile pour les qubits d'effectuer des calculs et d'afficher clairement leurs résultats.

La photo montre la zone de travail centrale de l'appareil. Dans la partie inférieure, les trois grands rectangles (bleu clair) représentent les deux bits quantiques, ou qubits, à droite et à gauche et le résonateur au centre. Dans la section supérieure agrandie, le passage des micro-ondes à travers l'antenne (grand rectangle bleu foncé en bas) induit un champ magnétique dans la boucle SQUID (plus petit carré blanc au centre, dont les côtés mesurent environ 20 micromètres de long). Le champ magnétique active l'interrupteur à bascule. La fréquence et l'amplitude des micro-ondes déterminent la position du commutateur et la force de la connexion entre les qubits et le résonateur. Crédit : K. Cicak et R. Simmond

"L'objectif est de garder les qubits heureux afin qu'ils puissent calculer sans distractions, tout en étant capables de les lire quand nous le souhaitons", a déclaré Ray Simmonds, physicien du NIST et l'un des auteurs de l'article. "Cette architecture de dispositif contribue à protéger les qubits et promet d'améliorer notre capacité à effectuer les mesures haute fidélité requises pour construire des processeurs d'informations quantiques à partir de qubits."

L'équipe comprend également des scientifiques de l'Université du Massachusetts Lowell, de l'Université du Colorado Boulder et de Raytheon BBN Technologies.

L’un des problèmes auxquels sont confrontés les concepteurs d’ordinateurs quantiques est que les circuits quantiques sont perturbés par du bruit externe, voire interne, résultant de défauts dans les matériaux utilisés pour fabriquer les ordinateurs.

Ce bruit est essentiellement un comportement aléatoire qui peut créer des erreurs dans les calculs de qubits.

Les qubits actuels sont intrinsèquement bruyants, mais ce n’est pas le seul problème. De nombreuses conceptions d'ordinateurs quantiques ont ce qu'on appelle une architecture statique, dans laquelle chaque qubit du processeur est physiquement connecté à ses voisins et à son résonateur de lecture.

Le câblage fabriqué qui relie les qubits entre eux et à leur lecture peut les exposer à encore plus de bruit.

De telles architectures statiques présentent un autre inconvénient : elles ne peuvent pas être reprogrammées facilement. Les qubits d'une architecture statique pourraient effectuer quelques tâches connexes, mais pour que l'ordinateur puisse effectuer un plus large éventail de tâches, il lui faudrait échanger une conception de processeur différente avec une organisation ou une disposition de qubits différente.

(Imaginez changer la puce de votre ordinateur portable chaque fois que vous avez besoin d'utiliser un logiciel différent, puis considérez que la puce doit être maintenue un peu au-dessus du zéro absolu, et vous comprenez pourquoi cela pourrait s'avérer gênant.)

L'interrupteur à bascule programmable de l'équipe évite ces deux problèmes. Premièrement, cela empêche le bruit du circuit de s'infiltrer dans le système via le résonateur de lecture et empêche les qubits d'avoir une conversation entre eux lorsqu'ils sont censés être silencieux.

"Cela réduit une source clé de bruit dans un ordinateur quantique", a déclaré Simmonds.

Deuxièmement, l'ouverture et la fermeture des interrupteurs entre les éléments sont contrôlées par un train d'impulsions micro-ondes envoyées à distance, plutôt que par les connexions physiques d'une architecture statique. L’intégration d’un plus grand nombre de ces interrupteurs à bascule pourrait constituer la base d’un ordinateur quantique plus facilement programmable.