Un lieu pour étudier les qubits à l’abri des effets des rayons cosmiques

Au fond du Fermi National Accelerator Laboratory se trouve un tout nouveau centre de recherche en capteurs quantiques et en informatique appelé QUIET, et à la surface, 100 mètres au-dessus, se trouve son jumeau appelé LOUD.

L’infrastructure de recherche quantique est parmi les premières du genre à être opérationnelles aux États-Unis. Ensemble, QUIET et LOUD permettront de réaliser des expériences contrôlées avec des capteurs quantiques afin d'effectuer des comparaisons directes entre un environnement où les interférences des rayons cosmiques sont considérablement réduites et l'environnement ambiant à la surface de la Terre.

Les informations quantiques stockées dans les qubits sont fragiles : les interactions avec l’environnement provoquent la décohérence des états quantiques et finissent par s’effondrer en un seul état. Étant donné que les qubits supraconducteurs sont affectés négativement par les rayons cosmiques et les particules énergétiques associées comme les muons, il est crucial de comprendre comment cela affecte ces dispositifs délicats.

Les connaissances acquises pourraient permettre aux chercheurs de mieux manipuler et protéger les états quantiques et même contribuer à une gamme plus large d’applications, notamment la détection de la matière noire.

Des particules à haute énergie impactent les qubits supraconducteurs

“Il n'est pas surprenant que lorsqu'une de ces particules très énergétiques – un rayon X, un rayon gamma ou un autre type de rayon cosmique – frappe votre qubit, elle efface toutes les informations”, a déclaré Aaron Chou, scientifique au Fermilab. l'axe Quantum Devices and Sensors for Discovery Science du Quantum Science Center, dont le siège est au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie. Fermilab est partenaire fondateur du QSC.

Les informations sur une puce quantique peuvent être détruites en une fraction de seconde en raison de cette interférence, entraînant une perte d’informations sur les qubits. Cela limitera considérablement les calculs à grande échelle dans les ordinateurs quantiques, selon Daniel Baxter, scientifique du Laboratoire Fermi et membre du QSC.

“Ce n'est pas encore un problème, mais nous le verrons à l'avenir”, a déclaré Baxter. “L'objectif est de le résoudre avant d'y arriver, car nous savons que ce sera un facteur limitant. Si nous le résolvons à l'avance, nous dégagerons la voie pour nous-mêmes alors que nous nous dirigeons vers l'informatique quantique.”

L'un des objectifs de QUIET est de comprendre la différence entre l'impact des rayons gamma, des rayons X, des muons et des particules bêta sur les qubits supraconducteurs.

Il existe de grandes différences dans la manière dont ces particules interagissent dans un matériau. Par exemple, une particule bêta interagira avec les atomes à la surface d’un matériau, tandis qu’un muon le traversera, déposant de l’énergie sur une plus longue distance et plus profondément dans le matériau. Cependant, on sait actuellement peu de choses sur les nuances de la façon dont ces particules interagissent avec les qubits supraconducteurs.

Utiliser QUIET pour comprendre l’impact des particules parasites de haute énergie sur les qubits supraconducteurs pourrait permettre aux chercheurs de construire de nouveaux modèles moins sensibles aux rayonnements.

Cette recherche consiste à prendre des qubits qui ont été testés à la surface, puis à les déplacer sous terre – là où le flux de muons et de rayons cosmiques est beaucoup plus faible – pour déterminer comment leurs performances changent. Les nouveaux modèles potentiels pourraient fonctionner de deux manières : les chercheurs pourraient soit se concentrer sur la protection des qubits contre les interférences, soit concevoir des dispositifs qui n'y sont pas sensibles en premier lieu.

Applications de la matière noire

Alternativement, l’utilisation de qubits comme capteurs pour fabriquer de nouveaux détecteurs hypersensibles aux rayonnements pourrait également être utile pour la détection de la matière noire.

Actuellement, la détection de la matière noire est limitée par la plupart des techniques sensibles uniquement au-dessus de l'échelle des électrons-volts, qui représente l'énergie gagnée lorsqu'une charge électronique est accélérée par une différence de potentiel d'un volt. Ces nouveaux capteurs quantiques hypersensibles, capables de détecter en dessous de l’échelle eV, pourraient permettre aux scientifiques de tester une suite plus large de modèles théoriques pour la matière noire.

“Un détecteur plus sensible utilisant des qubits supraconducteurs, qui peuvent être multipliés par plus de mille en dessous de l'échelle eV, nous permettra de détecter des dépôts d'énergie beaucoup plus petits que ce qui est possible dans les expériences actuelles sur la matière noire”, a déclaré Chou.

“Cela nous permettra de détecter une matière noire de masse inférieure, car il est plus facile de détecter que vous avez été heurté par un train de marchandises plutôt qu'une balle de ping-pong.”

Profond souterrain

QUIET a été construit dans le cadre de la National Quantum Initiative. L'espace souterrain qu'il utilise a été créé à l'origine par le Laboratoire Fermi pour ses expériences sur les neutrinos. Les lignes de lumière neutrinos peuvent être utilisées en toute sécurité lorsque les faisceaux sont allumés, et l'espace fourni peut être utilisé pour d'autres expériences.

“Les installations souterraines sont une chose assez rare et unique dont dispose le Laboratoire Fermi, et le Laboratoire Fermi profite de cet espace souterrain pour une science de pointe”, a déclaré Baxter. La commodité de QUIET est également remarquable par rapport aux autres espaces souterrains.

“Si je suis assis dans mon bureau, je peux être sous terre en 10 minutes”, a ajouté Baxter.

Les scientifiques du monde entier dans le domaine des sciences quantiques et de la matière noire envisagent d’installer des installations souterraines similaires d’essais quantiques dans des mines profondes. Par exemple, des scientifiques du Centre des matériaux et systèmes supraconducteurs quantiques du Laboratoire Fermi ont commencé à tester des qubits dans le laboratoire construit sous la montagne Gran Sasso en Italie. Bien que QUIET ne soit pas aussi profond, son accessibilité offre un grand avantage.

De plus, d'autres laboratoires nationaux disposent d'espaces souterrains. QUIET permet une réduction de 99 % du flux de muons et donne aux scientifiques la possibilité de profiter de cette ressource souterraine facilement accessible pour une science de pointe.

L’avenir du CALME

QUIET, dont la construction a duré deux ans et demi, est actuellement en phase de mise en service et devrait être opérationnel dans les prochains mois. Les scientifiques ont installé et testé un réfrigérateur à dilution, nécessaire au déploiement de qubits supraconducteurs. Ils mettent également en place une électronique radiofréquence, que les qubits supraconducteurs utilisent pour contrôler et lire leurs états quantiques.

De nombreux composants individuels de l'espace de recherche, tels que le réfrigérateur et les appareils électroniques, sont des articles commerciaux qui ont été achetés à la fois pour SILENCIEUX et FORT pour permettre des comparaisons directes.

“Il a fallu beaucoup de travail en coulisses pour faire les débuts de QUIET”, a déclaré Travis Humble, directeur de QSC. “Ces efforts comprenaient l'installation d'eau réfrigérée et d'alimentation électrique dédiées dans une salle blanche nouvellement construite, entre autres développements d'infrastructures.”

“Il s'agit d'un domaine vraiment passionnant et en évolution rapide, avec de nouvelles recherches constamment publiées et modifiant le débat, et il est passionnant que le Laboratoire Fermi soit l'un des principaux acteurs dans un sujet aussi pertinent et aux enjeux aussi élevés”, a déclaré Baxter.