CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé


30 septembre 2009
Un nouveau pas vers l'ordinateur quantique : la lecture 'haute-fidélité' d'un bit quantique supraconducteur
F. Mallet, F. Ong, A. Palacios, F. Nguyen, P. Bertet, Denis Vion and D. Esteve
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Après la réalisation d'un des tous premiers qubits (état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d'information quantique) en 2002, les chercheurs du groupe quantronique de l'IRAMIS-SPEC ont franchi un nouveau pas vers  la réalisation d'un processeur quantique simple : la lecture fiable et non destructive d'un qubit.
 

Le qubit est l'unité élémentaire d'information de l'ordinateur quantique, machine qui permettrait de traiter l'information de manière performante grâce au parallélisme massif qu'offrent les lois de la mécanique quantique. Un tel ordinateur quantique est encore aujourd'hui un rêve de physicien, mais les progrès sont rapides dans de nombreux laboratoires de par le monde. Le développement d'un processeur quantique nécessite la mise au point de plusieurs composants : des éléments de mémoire (bits quantiques ou qubit) conservant leur cohérence quantique durant un temps suffisamment long, des portes logiques à un et deux qubits, ainsi qu'un dispositif de lecture capable de lire l'état d'un qubit avec le minimum d'erreurs, en une seule projection (un coup), et sans détruire l'état obtenu lors de la projection.

Le groupe Quantronique a réalisé un tel dispositif de lecture pour un qubit supraconducteur, le transmon [1,2], version prometteuse d'un composant connu sous le nom de "boîte à paires de Cooper". Ce circuit électrique a plusieurs états d'énergie (0, 1, 2...) dont les deux plus bas définissent le qubit. Lorsque celui-ci est placé à l'intérieur d'un résonateur micro-ondes, il est possible de lire son état en envoyant une onde sur le système et en mesurant la phase de la composante réfléchie. Ce procédé conduit toutefois à de nombreuses erreurs, car il est trop lent pour identifier l'état 1 avant que celui-ci ne soit détruit par émission spontanée.

On transforme donc le résonateur en un détecteur de type "échantillonneur-bloqueur (sample and hold)" en y introduisant une jonction tunnel le rendant non linéaire [3] : quand une impulsion micro-onde lui est envoyée, le résonateur adopte maintenant un état d'oscillation dépendant de l'état du qubit, B pour 1, B pour 0, qui se maintient tant que le signal sonde persiste, permettant une discrimination aisée des deux états. On détermine ainsi en une seule mesure l'état du qubit de façon correcte dans 92% des cas. Cette précision est suffisante pour permettre l'utilisation de ce dispositif de lecture dans un processeur élémentaire à quelques qubits. Ces résultats, qui figurent parmi les meilleurs obtenus pour la lecture de qubits supraconducteurs, font l'objet d'une publication dans Nature Physics [4].


Figure : A) Micrographie optique du dispositif : cadre magenta : transmon (qubit supraconducteur) dans un résonateur supraconducteur  de lecture (méandre) avec jonction Josephson (cadre vert) en son milieu. B) Schéma du circuit montrant le transmon (magenta), le résonateur (en vert) et sa jonction (croix verte), les sources micro-ondes Vd et Vm destinées respectivement au pilotage et à la lecture du qubit, le circuit de mesure (en noir), et l'oscillogramme des deux familles de signaux obtenues (B et B). C) Principe de l'expérience : une première impulsion micro-onde résonante avec la transition 0→1 du qubit induit une oscillation cohérente  (dite de Rabi) entre ses états 0 et 1 ; une seconde impulsion transfère le cas échéant l'état 1 du transmon vers son état 2 pour le protéger de l'émission spontanée ; une troisième lit l'état du qubit ; D) Oscillations de Rabi données par la probabilité  d'obtention du signal B. Le fort contraste obtenu est limité par des taux d'erreur de  2% pour l'état 0 et 6% pour l'état 1.

 

Quantronics Group,
Service de Physique de l'Etat Condensé (CNRS URA 2464) 
DSM/IRAMIS/SPEC, CEA-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France

Références :

[1] J. Koch et al., Phys. Rev. A 76, 042319 (2007).

[2] A. Wallraff et al., Nature 431, 162 (2004).

[3] Dispersive microwave bifurcation of a superconducting resonator cavity incorporating a Josephson junction
E. Boaknin, V. Manucharyan, S. Fissette, M. Metcalfe, L. Frunzio, R. Vijay, I. Siddiqi, A. Wallraff, R. J. Schoelkopf, and M. Devoret, arXiv:cond-mat/0702445v1.

[4] Single-shot qubit readout in circuit quantum electrodynamics
François Mallet, Florian R. Ong, Agustin Palacios-Laloy, François Nguyen, Patrice Bertet, Denis Vion & Daniel Esteve
Nature Physics (2009), published online: 27 September 2009.


Communiqué de presse CEA sur le sujet : "Lecture haute-fidélité pour ordinateur quantique"

Demain, l\'ordinateur quantique Vidéo présentée par la Cité des Sciences et de l'Industrie : "Demain, l'ordinateur quantique".

 

Fin 2009, des chercheurs français publient une avancée déterminante pour la fabrication d'un ordinateur quantique : un dispositif de lecture haute fidélité d'un "bit quantique" pour, un jour, parvenir à effectuer des calculs inaccessibles aux ordinateurs actuels. Tout ceci vous parait trop compliqué et forcément réservé aux initiés ? Un reportage pour démystifier l'informatique quantique...

Réalisation : Malo Delarue, durée : 6 mn.
Production : Cité des sciences et de l'industrie 2009.

 
#1449 - Màj : 22/03/2010

 

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