UN CHAT QUANTIQUE QUI TIENT EN PLACE DES MINUTES

Un ordinateur quantique ne sera utile que s’il sait corriger ses propres erreurs. Cela coûte énormément de matériel — sauf si les erreurs sont déséquilibrées. Si un type d’erreur n’arrive presque jamais, le code correcteur n’a plus à combattre que l’autre, et il peut être bien plus simple.

Les qubits « chats » sont conçus pour ce déséquilibre. Ils stockent l’information dans un circuit supraconducteur qui contient un champ micro-onde, sous la forme de deux oscillations opposées de ce champ. Changer un 0 en 1 — un basculement de bit — revient à sauter d’une oscillation à l’autre. Plus le champ contient de photons, plus les deux états sont éloignés : les basculements de bit deviennent exponentiellement plus rares avec le nombre de photons, tandis que l’autre erreur, le basculement de phase — qui brouille la relation quantique entre les deux états au lieu de les échanger —, ne croît qu’en proportion du nombre de photons.

Deux vallées, un point faible

Il existe deux façons de maintenir un chat en place. Les chats « dissipatifs » sont sans cesse ramenés vers leurs deux états par un partenaire qui perd de l’énergie ; ils tiennent déjà plus de 100 secondes. Les chats « de Kerr », eux, reposent dans un paysage d’énergie à deux vallées séparées par une barrière, créé en envoyant une onde micro-onde (un « pompage ») dans un circuit non linéaire. Leur avantage : un contrôle rapide. Leur faiblesse : des basculements de bit au bout de quelques millisecondes seulement — une amélioration récente a atteint 3,6 ms, encore cinq ordres de grandeur sous les chats dissipatifs.

La raison : rien n’évacue l’énergie parasite. Le bruit pousse le chat dans des états excités à l’intérieur de sa vallée, et de là, glisser dans l’autre vallée devient bien plus facile. Pire, à fort pompage, le qubit entre d’habitude en résonance avec son circuit de lecture, ce qui ruine brutalement la protection.

Le circuit de lecture comme évacuation

Sergey Hazanov, Mikhail Svintsov et leurs collègues de l’Institut Weizmann des sciences, en Israël, ont retourné le problème. La même interaction non linéaire qui creuse les deux vallées relie aussi les excitations à l’intérieur de chaque vallée au résonateur de lecture, un circuit qui laisse sans cesse fuir ses photons vers la ligne de mesure.

Quand l’énergie d’une excitation correspond à l’écart de fréquence entre le pompage et le résonateur de lecture — une résonance dite « autoparamétrique » —, l’excitation est transmise sous forme de photon de lecture, qui s’échappe. Le 0 ou le 1 lui-même n’est pas touché. Une seconde évacuation apparaît par le filtre placé sur la ligne de sortie.

L’équipe l’a mesuré directement : à la résonance, le premier état excité se vide aussi vite que le circuit de lecture le permet, et les états plus hauts se vident en cascade. Leur puce — de l’aluminium sur du silicium, refroidie à 10 millikelvins — n’a eu besoin d’aucun pompage de refroidissement ni d’aucun élément de circuit supplémentaire.

Sept ordres de grandeur

Loin des résonances, les basculements de bit arrivaient toujours en quelques millisecondes. Près d’elles, la protection s’est envolée :

• 519 millisecondes sur la résonance du résonateur de lecture (22,4 photons en moyenne) ;
• 15,4 secondes entre les deux résonances (27,3 photons) ;
• aucune décroissance mesurable de l’état stocké sur une fenêtre de mesure de 100 secondes sur la résonance du filtre (33,8 photons), soit un temps de basculement de plus de 100 secondes.

En comptant les rares basculements dans de longues séries de lectures répétées — 62 basculements en 15 heures —, l’équipe a estimé le temps de basculement en ce dernier point : 448 ± 57 secondes, plus de cinq ordres de grandeur au-delà des chats de Kerr précédents.

Des basculements qui chutent exponentiellement avec le nombre de photons sont une prédiction emblématique des chats de Kerr, mais on ne les avait jamais observés. C’est fait : chaque photon supplémentaire a multiplié le temps de basculement par 1,82 ± 0,06, de 52 microsecondes à 7,4 photons à 448 secondes à 33,8 photons, environ sept ordres de grandeur, sans signe de plafonnement.

Des portes rapides, une lecture douce

Une protection ne sert à rien si le qubit devient inutilisable. Une rotation élémentaire du qubit refroidi a pris 8 nanosecondes, et laisser ce pompage de rotation allumé en continu n’a pas raccourci le temps de basculement (0,65 s avec, 0,64 s sans). Lire le qubit en 4 microsecondes n’a provoqué un basculement que 5 fois sur 10 millions de lectures.

L’autre erreur

Le prix à payer, c’est le basculement de phase. Il suit la limite attendue, fixée par la perte de photons un à un, environ T₁/(2n̄), où T₁ est la durée de vie d’un photon dans le circuit (environ 8 microsecondes) et n̄ le nombre de photons. À 24,2 photons, le chat a tenu 3,55 secondes contre les basculements de bit, mais seulement 113 nanosecondes contre les basculements de phase : un déséquilibre d’environ 30 millions contre un.

Les auteurs indiquent deux voies pour réduire l’écart. Des durées de vie de photon de 55,7 microsecondes ont déjà été démontrées ailleurs, environ sept fois plus qu’ici. Et un circuit plus froid laisserait moins d’excitations parasites, ce qui pourrait donner la même protection avec moins de photons — donc moins de basculements de phase.