Le transducteur pourrait permettre des réseaux quantiques supraconducteurs

Les physiciens appliqués de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (Seas) ont créé un routeur photon qui pourrait se connecter à des réseaux quantiques pour créer des interfaces optiques robustes pour les ordinateurs quantiques micro-ondes sensibles au bruit.

La percée est une étape cruciale vers un jour réalisant des réseaux informatiques quantiques modulaires et distribués qui tirent parti de l’infrastructure de télécommunications existante. Comprenant des millions de kilomètres de fibres optiques, les réseaux de fibres optiques d’aujourd’hui envoient des informations entre les clusters informatiques sous forme d’impulsions de lumière, ou photons, du monde entier en un clin d’œil.

Dirigée par Marko Lončar, le professeur de génie électrique Tiantsai Lin et la physique appliquée à la mer, l’équipe a créé un transducteur quantique micro-ondes optique, un appareil conçu pour les systèmes de traitement quantique qui utilisent des quittes micro-ondes supraconducteurs comme leurs plus petites unités de fonctionnement (analogues aux 1 et 0 de bits classiques).

La recherche est publiée dans Physique de la nature.

En effet, un routeur pour les photons, le transducteur comble le grand écart d’énergie entre les micro-ondes et les photons optiques, permettant ainsi le contrôle des qubits micro-ondes avec des signaux optiques a généré à plusieurs kilomètres. L’appareil est le premier du genre à démontrer le contrôle d’un qubit supraconducteur en utilisant uniquement la lumière.

Hana Warner, étudiante au premier auteur et diplômé en papier, a déclaré que le transducteur offre un moyen d’appuyer sur la puissance de l’optique lors de la création de réseaux quantiques.

“La réalisation de ces systèmes est toujours un moyen de sortir, mais pour y arriver, nous devons trouver des moyens pratiques d’échelle et d’interfacer avec les différents composants”, a déclaré Warner.

“Les photons optiques sont l’une des meilleures façons de le faire, car ce sont de très bons porteurs d’informations, avec une faible perte et une bande passante élevée.”

Les qubits supraconducteurs, qui sont des circuits nanofabrifiés conçus pour différents états d’énergie, sont une plate-forme de calcul quantique émergente en raison de leur évolutivité, de leur compatibilité avec les processus de fabrication existants et de la capacité de maintenir la superposition quantique suffisamment longtemps pour effectuer des calculs.

Mais l’une des principales goulots d’étranglement pour déployer des plates-formes de qubit micro-ondes supraconductrices est les températures extrêmement basses auxquelles ils doivent fonctionner, nécessitant de grands systèmes de refroidissement appelés réfrigérateurs de dilution.

Étant donné que le futur informatique quantique nécessitera des millions de qubits pour fonctionner, la mise à l’échelle de ces systèmes uniquement sur les signaux de fréquence micro-ondes est difficile. La solution réside dans l’utilisation de qubits micro-ondes pour effectuer les opérations quantiques, mais pour utiliser des photons optiques comme interfaces efficaces et évolutives.

C’est là que le transducteur entre en jeu.

Le dispositif optique de 2 millimètres de l’équipe de Harvard ressemble à un trombone et se trouve sur une puce qui mesure environ 2 centimètres. Il fonctionne en reliant un résonateur micro-ondes avec deux résonateurs optiques, permettant un échange de va-et-vient d’énergie activé par les propriétés de leur matériau de base, le niobate de lithium. L’équipe a exploité cet échange pour éliminer le besoin de câbles à micro-ondes chauds et volumineux pour contrôler les états de Qubit.

Les mêmes appareils utilisés pour le contrôle peuvent être utilisés pour la lecture de l’état Qubit, ou pour former des liens directs pour convertir des informations quantiques capricieuses en paquets robustes de lumière entre les nœuds informatiques quantiques. La percée nous rapproche d’un monde avec des processeurs quantiques supraconducteurs connectés par des réseaux optiques à perte à faible perte et haute puissance.

“La prochaine étape de notre transducteur pourrait être une génération et une distribution fiables de l’enchevêtrement entre les qubits micro-ondes en utilisant la lumière”, a déclaré Lončar.

L’équipe de Harvard a combiné son expertise dans les systèmes optiques avec des collaborateurs de Rigetti Computing, qui a fourni les plateformes de qubit supraconductrices en aluminium sur silicium sur lesquelles les chercheurs ont testé leur transducteur et cartographié différentes expériences. D’autres collaborateurs étaient de l’Université de Chicago et du Massachusetts Institute of Technology.

La fabrication des puces a été réalisée au Harvard’s Center for Nanoscale Systems, un membre du réseau d’infrastructure coordonné de la nanotechnologie nationale.