Nouvelle méthode pour faciliter la mise à l’échelle des dispositifs quantiques

Dans une avancée qui pourrait aider les chercheurs à mettre à l’échelle les dispositifs quantiques, une équipe du MIT a mis au point une méthode pour « recruter » des bits quantiques voisins faits de défauts à l’échelle nanométrique du diamant, afin qu’au lieu de provoquer des perturbations, ils aident à réaliser des opérations quantiques.

Les dispositifs quantiques effectuent des opérations à l’aide de bits quantiques, appelés « qubits », qui peuvent représenter les deux états correspondant à des bits binaires classiques – un 0 ou un 1 – ou une « superposition quantique » des deux états simultanément. L’état de superposition unique peut permettre aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes qui sont pratiquement impossibles pour les ordinateurs classiques, ce qui pourrait entraîner des percées dans les domaines de la biodétection, de la neuroimagerie, de l’apprentissage machine et d’autres applications.

Un candidat qubit prometteur est un défaut du diamant, appelé centre de vide d’azote (NV), qui contient des électrons pouvant être manipulés par la lumière et les micro-ondes. En réponse, le défaut émet des photons qui peuvent transporter des informations quantiques. Cependant, en raison de leur environnement à l’état solide, les centres NV sont toujours entourés de nombreux autres défauts inconnus ayant des propriétés de spin différentes, appelés « défauts de spin ». Lorsque le qubit mesurable du centre NV interagit avec ces défauts de spin, le qubit perd son état quantique cohérent – les « décohères » – et les opérations s’effondrent. Les solutions traditionnelles tentent d’identifier ces défauts perturbateurs pour en protéger le qubit.

Dans un article publié le 25 février dans Examen physique des lettresLes chercheurs décrivent une méthode qui utilise un centre de NV pour sonder son environnement et découvrir l’existence de plusieurs défauts de spin à proximité. Ensuite, les chercheurs peuvent localiser les défauts et les contrôler pour obtenir un état quantique cohérent, en les utilisant essentiellement comme qubits supplémentaires.

Lors des expériences, l’équipe a généré et détecté la cohérence quantique entre trois spins électroniques – faisant passer la taille du système quantique d’un seul qubit (le centre NV) à trois qubits (ajoutant deux défauts de spin proches). Selon les chercheurs, ces résultats constituent un pas en avant dans la mise à l’échelle des dispositifs quantiques à l’aide des centres NV.

« Vous avez toujours des défauts de rotation inconnus dans l’environnement qui interagissent avec un centre NV. Nous disons : « N’ignorons pas ces défauts de rotation, qui (si on les laisse seuls) pourraient provoquer une décohérence plus rapide. Apprenons à les connaître, à caractériser leurs spins, à les contrôler et à les « recruter » pour faire partie du système quantique », déclare le co-auteur principal Won Kyu Calvin Sun, étudiant diplômé du département de sciences et d’ingénierie nucléaires et membre du groupe d’ingénierie quantique. « Ensuite, au lieu d’utiliser un seul centre NV (ou juste) un qubit, nous pouvons alors utiliser deux, trois ou quatre qubits ».

L’auteur principal Alexandre Cooper ’16 de Caltech, Jean-Christophe Jaskula, chercheur au Laboratoire de recherche en électronique (RLE) du MIT et membre du groupe d’ingénierie quantique du MIT, et Paola Cappellaro, professeur au Département de science et d’ingénierie nucléaires, membre du RLE et chef du groupe d’ingénierie quantique du MIT, se joignent à Sun pour cet article.

Caractérisation des défauts

Les centres NV se produisent lorsque des atomes de carbone manquent à deux endroits adjacents dans la structure du réseau du diamant – un atome est remplacé par un atome d’azote, et l’autre espace est une « vacance » vide. Le centre NV fonctionne essentiellement comme un atome, avec un noyau et des électrons environnants qui sont extrêmement sensibles aux minuscules variations des champs électriques, magnétiques et optiques environnants. Le balayage du centre par des micro-ondes, par exemple, le fait changer, et donc contrôler, les états de spin du noyau et des électrons.

Les spins sont mesurés à l’aide d’un type de spectroscopie par résonance magnétique. Cette méthode permet de représenter les fréquences des spins des électrons et des noyaux en mégahertz sous la forme d’un « spectre de résonance » qui peut s’abaisser et s’élever, comme un moniteur cardiaque. Les spins d’un centre de NV dans certaines conditions sont bien connus. Mais les défauts des spins environnants sont inconnus et difficiles à caractériser.

Dans leur travail, les chercheurs ont identifié, localisé et contrôlé deux défauts de spin électron-nucléaire près d’un centre NV. Ils ont d’abord envoyé des impulsions de micro-ondes à des fréquences spécifiques pour contrôler le centre NV. Simultanément, ils envoient une autre micro-onde qui sonde le milieu environnant à la recherche d’autres spins. Ils ont ensuite observé le spectre de résonance des défauts de spin interagissant avec le centre du NV.

Le spectre a plongé en plusieurs endroits lorsque l’impulsion de sondage a interagi avec les spins électrons-nucléaires voisins, indiquant leur présence. Les chercheurs ont alors balayé un champ magnétique à travers la zone selon différentes orientations. Pour chaque orientation, le défaut « tourne » à des énergies différentes, ce qui provoque des creux différents dans le spectre. En gros, cela leur a permis de mesurer le spin de chaque défaut par rapport à chaque orientation magnétique. Ils ont ensuite intégré les mesures d’énergie dans une équation modèle dont les paramètres sont inconnus. Cette équation est utilisée pour décrire les interactions quantiques d’un défaut de spin électron-nucléaire sous un champ magnétique. Ensuite, ils ont pu résoudre l’équation pour caractériser avec succès chaque défaut.

Localiser et contrôler

Après la caractérisation des défauts, l’étape suivante consistait à caractériser l’interaction entre les défauts et le NV, ce qui permettrait de les localiser simultanément. Pour ce faire, ils ont à nouveau balayé le champ magnétique selon différentes orientations, mais cette fois-ci, ils ont recherché les changements d’énergie décrivant les interactions entre les deux défauts et le centre du NV. Plus l’interaction était forte, plus ils étaient proches l’un de l’autre. Ils ont ensuite utilisé ces forces d’interaction pour déterminer où se trouvaient les défauts, par rapport au centre du NV et entre eux. Cela a permis de générer une bonne carte des emplacements des trois défauts dans le diamant.

La caractérisation des défauts et leur interaction avec le centre NV permettent un contrôle complet, ce qui implique quelques étapes supplémentaires à démontrer. Tout d’abord, ils pompent le centre NV et l’environnement environnant avec une séquence d’impulsions de lumière verte et de micro-ondes qui aident à mettre les trois qubits dans un état quantique bien connu. Ensuite, ils utilisent une autre séquence d’impulsions qui, idéalement, enchevêtre brièvement les trois qubits, puis les démêle, ce qui leur permet de détecter la cohérence des trois spins des qubits.

Les chercheurs ont vérifié la cohérence des trois spins en mesurant un pic majeur dans le spectre de résonance. La mesure du pic enregistré était essentiellement la somme des fréquences des trois qubits. Si les trois qubits, par exemple, n’étaient pas ou peu enchevêtrés, il y aurait eu quatre pics distincts de plus faible hauteur.

« Nous entrons dans une boîte noire (environnement avec chaque centre NV). Mais lorsque nous sondons l’environnement NV, nous commençons à voir des creux et nous nous demandons quels types de rotation nous donnent ces creux. Une fois que nous avons (compris) la rotation des défauts inconnus, et leurs interactions avec le centre NV, nous pouvons commencer à contrôler leur cohérence », dit Sun. « Ensuite, nous avons un contrôle universel complet de notre système quantique ».

Ensuite, les chercheurs espèrent mieux comprendre d’autres bruits environnementaux entourant les qubits. Cela les aidera à mettre au point des codes de correction d’erreurs plus robustes pour les circuits quantiques. En outre, comme le processus de création du centre NV dans le diamant crée en moyenne de nombreux autres défauts de spin, les chercheurs affirment qu’ils pourraient éventuellement étendre le système pour contrôler encore plus de qubits. « Cela devient plus complexe avec l’échelle. Mais si nous pouvons commencer à trouver des centres NV avec plus de pics de résonance, vous pouvez imaginer de commencer à contrôler des systèmes quantiques de plus en plus grands », dit Sun.