Une équipe de Jülich réalise des portes de transmon en 6,8 nanosecondes avec plus de 99,98 % de fidélité

Des chercheurs de Jülich, Aix-la-Chapelle et Cologne présentent dans Nature Communications des portes à un qubit ultrarapides grâce à des impulsions qui suppriment les fuites multiphotoniques.

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Des physiciens du Forschungszentrum Jülich, associés à la RWTH Aachen University et à l’université de Cologne, ont réalisé des opérations à un qubit sur un qubit supraconducteur en 6,8 nanosecondes tout en conservant une précision supérieure à 99,98 %. Le résultat, publié dans Nature Communications sous le titre Ultrafast single-qubit gates through multi-photon transition removal, repose sur une nouvelle façon de façonner les impulsions de contrôle micro-ondes. Selon le communiqué de Jülich, ces opérations prennent habituellement plusieurs dizaines de nanosecondes dans les machines supraconductrices.

Ce qui a été annoncé

Deux portes élémentaires ont été exécutées sur un unique qubit transmon fabriqué à la Helmholtz Nano Facility de Jülich, chacune pilotée par une impulsion micro-ondes de 6,8 nanosecondes. Les fidélités mesurées étaient de 99,981 % et 99,989 %, et la probabilité que le qubit fuie vers un niveau d’énergie supérieur est restée sous 0,002 % par opération, selon l’institut. Quantum Computing Report identifie les portes comme X et X/2 et indique que les fidélités ont été mesurées par benchmarking aléatoire entrelacé. Les travaux ont été menés dans le cadre de QSOLID, le consortium national allemand coordonné par Jülich.

Les détails techniques

La vitesse compte, car les qubits ne conservent leur état que brièvement : des portes plus rapides permettent de loger davantage d’opérations, y compris des cycles de correction d’erreurs, dans cette fenêtre. Mais des impulsions plus courtes doivent être plus intenses, et les transmons possèdent des niveaux d’énergie au-delà des deux utilisés pour le calcul. L’équipe de Jülich a constaté que des impulsions fortes et rapides peuvent pousser un qubit non seulement un niveau trop haut, mais deux ou trois niveaux plus haut via des transitions multiphotoniques, un effet jusque-là négligé selon le communiqué, qui peut persister sur plusieurs étapes de calcul et perturber la correction d’erreurs.

La nouvelle méthode, R2D, s’appuie sur DRAG, la technique standard de correction d’impulsions utilisée depuis plus d’une décennie. Elle façonne les impulsions de façon à filtrer les composantes fréquentielles qui provoquent les transitions indésirables, tout en réalisant l’opération voulue. Par rapport à la méthode standard, R2D divise par plus de 20 la probabilité de transitions multiphotoniques, selon les chercheurs. QCR rapporte que l’erreur résiduelle de porte est limitée par la décohérence et non par des erreurs de contrôle.

Les travaux expérimentaux ont été dirigés par Yuan Gao et Rami Barends au PGI-13 du Peter Grünberg Institute, la théorie étant assurée par José da Costa Jesus, Francisco Cárdenas-López et Felix Motzoi au PGI-8.

Pourquoi c’est important

Des portes plus rapides sans perte de précision laissent plus de marge aux schémas de correction d’erreurs avant que les qubits ne décohèrent, et la suppression des fuites est particulièrement précieuse, car les états ayant fui sont difficiles à traiter pour les codes standard.

À surveiller

Les chercheurs soulignent que la technique n’a pour l’instant été testée que sur un qubit isolé. De nouvelles expériences devront montrer si elle tient dans des processeurs plus grands, où la diaphonie et l’encombrement fréquentiel posent problème, ainsi que lors d’opérations à deux qubits.