Une nouvelle conception de coupleur multimode fait progresser l’informatique quantique évolutive

La mise en œuvre d’un processeur quantique tolérant aux pannes nécessite le couplage de qubits pour générer l’intrication. Les qubits supraconducteurs sont une plate-forme prometteuse pour le traitement de l’information quantique, mais la mise à l’échelle d’un ordinateur quantique à grande échelle nécessite l’interconnexion de nombreux qubits avec de faibles taux d’erreur. Les méthodes traditionnelles limitent souvent le couplage aux voisins les plus proches, nécessitent de grandes empreintes physiques et impliquent de nombreux coupleurs, ce qui complique la fabrication.

Par exemple, le couplage de 100 qubits par paires nécessite un grand nombre de coupleurs. De plus, contrôler des éléments de circuit individuels et des coupleurs avec des câbles séparés, même pour 1 000 qubits, nécessiterait un volume de câbles trop important, ce qui rendrait impossible l’intégration d’un tel système dans un grand laboratoire, sans parler de la gestion de millions de qubits. Cela souligne la nécessité de méthodes de couplage plus efficaces et plus évolutives.

Une équipe de physiciens théoriciens dirigée par Mohd Ansari au FZJ, en collaboration avec l’équipe expérimentale de Britton Plourde à l’Université de Syracuse, a introduit une nouvelle approche utilisant un coupleur multimode qui permet une force de couplage réglable entre n’importe quelle paire de qubits.

Publié dans PRX Quantiquecette recherche utilise un coupleur partagé en forme d’anneau, fabriqué à partir d’une ligne de transmission en métamatériaux. Cette conception produit un spectre de fréquences dense de résonances d’ondes stationnaires à proximité de la plage de fréquences de transition des qubits. Le résonateur annulaire gauche, composé de 24 cellules reliées à la terre par induction et couplées par capacité, présente un ensemble dense de modes au-dessus d’une fréquence de coupure minimale, les fréquences des modes s’écartant davantage à des fréquences plus élevées.

Cette conception unique, où la fréquence des ondes stationnaires est linéairement proportionnelle à leur longueur d’onde, contraste avec les ondes stationnaires conventionnelles. Par exemple, doubler la fréquence double la longueur d’onde, contrairement aux systèmes classiques où doubler la fréquence divise par deux la longueur d’onde. Imaginez un instrument de musique où les sons les plus aigus correspondent à des longueurs d’onde plus longues : ce concept défie les attentes traditionnelles.

Deux qubits supraconducteurs placés aux positions 3 et 6 heures sur le résonateur annulaire se couplent aux ondes stationnaires, la force d’interaction dépendant de l’amplitude des ondes stationnaires à leurs emplacements. Le couplage de plusieurs qubits à un mode de résonance commun induit des interactions d’échange transversales, le couplage dépendant du désaccord de chaque qubit avec divers modes. Ces interactions peuvent être positives ou négatives. De plus, les interactions entre les états excités supérieurs de chaque qubit et les modes de couplage entraînent des interactions ZZ d’ordre supérieur, qui varient également avec le désaccord du qubit et peuvent changer de signe.

Cette variabilité dans les échanges et les interactions ZZ s’aligne bien avec les modèles théoriques, permettant le réglage des échelles d’énergie d’intrication depuis de grandes valeurs jusqu’à zéro. Le potentiel d’extension de ce système à plus de deux qubits autour de l’anneau en fait une plate-forme prometteuse pour contrôler l’intrication dans de grands réseaux de qubits.