Étudier les sources de perte d’énergie pour faire des progrès en informatique quantique

Des scientifiques de l’université Yale et du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’énergie (DOE) ont mis au point une approche systématique pour comprendre comment l’énergie est perdue par les matériaux qui composent les qubits. La perte d’énergie nuit aux performances de ces éléments constitutifs des ordinateurs quantiques. Déterminer ses sources et ajuster les matériaux si nécessaire peut aider les chercheurs à concevoir des ordinateurs quantiques qui pourraient révolutionner plusieurs domaines scientifiques.

Grâce à leur nouvelle approche, les scientifiques de Yale ont pu concevoir un appareil compact capable de stocker des informations quantiques pendant plus d’une milliseconde.

Cette recherche, publiée dans Nature Communicationsa été menée dans le cadre du Co-Design Center for Quantum Advantage (C²QA), un centre national de recherche en sciences de l’information quantique dirigé par Brookhaven Lab. Yale est un partenaire clé du centre.

« L’un des principaux obstacles que nous devons surmonter est l’amélioration de la capacité des qubits à conserver les informations quantiques qu’ils contiennent. C’est ce qu’on appelle la cohérence », explique Suhas Ganjam, premier auteur de l’étude. Ganjam a mené ses recherches alors qu’il était doctorant à Yale et est aujourd’hui chercheur scientifique chez Google.

Il y a quelques années, des chercheurs de l’Université de Princeton, qui ont rejoint C²Dès sa création, QA a conçu des qubits avec un temps de cohérence record de 0,3 milliseconde en remplaçant le niobium ou l’aluminium traditionnellement utilisés par un métal supraconducteur appelé tantale. Cela indiquait que les matériaux constitutifs des qubits influaient directement sur leurs performances, mais les raisons de ce phénomène n’étaient pas encore claires.

Ainsi, les scientifiques contribuant à C²QA a commencé à étudier les différents types d’oxydes de tantale qui se forment à la surface du tantale lorsqu’il est exposé à l’air. Ils ont encore amélioré la cohérence en recouvrant le tantale d’une fine couche de magnésium qui empêche l’oxydation du matériau.

« Les chercheurs ont mis au point des dispositifs avec de meilleurs temps de cohérence. Mais il existe tellement de sources différentes de perte d’énergie, et nous ne parvenions toujours pas à distinguer celles qui s’amélioraient », a déclaré Ganjam. « Nous avons donc entrepris de différencier les différents types de perte. »

Sous la supervision de Robert Schoelkopf, physicien à l’Université Yale qui dirige le Devices Thrust de C²QA, Ganjam a conçu un appareil appelé tripolaire stripline.

Ce nouveau dispositif est constitué de trois bandes de couches minces supraconductrices disposées sur un substrat, à l’instar d’autres dispositifs quantiques. Les bandes ont été disposées de manière spéciale afin que les chercheurs puissent non seulement quantifier l’énergie perdue, mais aussi déterminer où elle se dégrade en testant le dispositif dans trois modes différents, un pour chaque paire d’électrodes supraconductrices.

Par exemple, les chercheurs ont pu différencier les pertes de surface et les pertes diélectriques en vrac en observant les modes dans lesquels les champs électromagnétiques étaient soit confinés à la surface du dispositif, soit répartis sur tout le substrat. S’ils observaient davantage de pertes dans le mode dans lequel les champs électromagnétiques étaient confinés à la surface du dispositif, la perte était dominée par la contribution de surface.

« Grâce à nos tests électromagnétiques avec la ligne tripolaire, nous avons pu observer que les appareils fabriqués avec du tantale et de l’aluminium perdent différentes quantités d’énergie de différentes manières », a expliqué Ganjam.

Les chercheurs ont notamment constaté que l’utilisation d’un film mince de tantale, plutôt que d’un film mince d’aluminium, réduisait les pertes de surface. De plus, l’utilisation d’une technique de fabrication appelée recuit, qui consiste à chauffer un substrat en saphir et à le laisser refroidir lentement, a permis de réduire les pertes diélectriques globales.

« Nous voulions savoir pourquoi les différents matériaux et techniques de fabrication influençaient ce type de perte », explique Ganjam. « Nous nous sommes donc tournés vers nos collaborateurs du Centre de nanomatériaux fonctionnels. »

Les matériaux quantiques à travers la lentille de la microscopie

Le Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN) est une installation du Bureau des sciences du DOE située au laboratoire de Brookhaven et dotée d’une installation de microscopie électronique de pointe. En utilisant la microscopie électronique à transmission et la microscopie électronique à balayage pour observer la structure microscopique des matériaux, les scientifiques de cette installation peuvent aider d’autres chercheurs, comme Ganjam et Schoelkopf, à mieux comprendre les matériaux avec lesquels ils travaillent.

« Nous pensons que la cohérence des qubits est limitée par la perte d’énergie due aux contaminants ou aux défauts des matériaux », explique Minghzao Liu, scientifique senior au CFN. « Nous analysons donc les matériaux quantiques au CFN pour rechercher ces caractéristiques limitant la cohérence. »

Kim Kisslinger, un associé technique avancé du CFN, a extrait des coupes transversales microscopiques des matériaux et des dispositifs des scientifiques de Yale et les a analysés au niveau atomique.

« J’observe des projets comme celui-ci à travers le prisme de la microscopie électronique », a déclaré Kisslinger. « De la cristallinité à la composition chimique en passant par l’épitaxie, qui est liée à l’orientation des matériaux cristallins, je peux dire à nos collaborateurs exactement ce qui se passe avec leurs matériaux et les aider à corréler ces propriétés avec les performances des matériaux. »

Liu a déclaré : « Kim aide nos collaborateurs à mieux comprendre leurs documents, mais il les aide également à apporter des améliorations significatives grâce à un processus itératif. »

Kisslinger a ajouté : « Le CFN abrite des équipements de pointe qui peuvent soutenir la recherche sur les matériaux nécessaire aux dispositifs quantiques. Mais nous avons également certains des scientifiques et spécialistes les plus qualifiés au monde. Cette combinaison de personnel et d’équipement de qualité est unique au CFN. »

Les efforts collaboratifs produisent des appareils améliorés

Grâce à une compréhension approfondie des propriétés électromagnétiques de leurs dispositifs, ainsi que de la composition des matériaux, les chercheurs de Yale ont utilisé un modèle de perte d’énergie capable de prédire la cohérence d’un dispositif en fonction de ses matériaux constitutifs et de la géométrie du circuit. Et à l’aide de ce modèle prédictif, ils ont optimisé la géométrie du circuit pour construire un dispositif quantique avec un temps de cohérence supérieur à une milliseconde.

« Cette recherche marque une étape importante dans le C²« La mission d’assurance qualité. Même au-delà du temps de cohérence plus long, elle montre la voie à suivre pour de nouvelles améliorations de cohérence grâce à la collaboration étroite des scientifiques des dispositifs quantiques et des matériaux », a déclaré C²Kai-Mei Fu, directrice adjointe de l’assurance qualité.

La collaboration entre les experts en conception de qubits du laboratoire Schoelkopf et les experts en caractérisation des matériaux du CFN, qui a débuté avec la création du centre, incarne C²Principe de QA consistant à « co-concevoir » des matériaux et des algorithmes pour obtenir des ordinateurs quantiques plus performants que les ordinateurs classiques.

« Des collaborations comme celle-ci sont essentielles pour découvrir les meilleurs matériaux et les processus de fabrication optimaux qui aideront C²« QA a atteint son objectif », a déclaré Ganjam.

« Il est très gratifiant de voir ces projets de conception de qubits prendre de l’ampleur et connaître du succès au fil des ans », a ajouté Liu. « Des avancées scientifiques comme celles-ci ne sont pas possibles sans collaboration. »