Résumé :
Une équipe de recherche scientifique internationale a récemment proposé une nouvelle méthode de lecture d'informations quantiques, qui devrait permettre d'obtenir l'état des qubits sans perturber de manière significative le système quantique, offrant ainsi une voie technique plus efficace pour la surveillance et le contrôle des futurs ordinateurs quantiques. La recherche montre qu'un type de dispositif quantique appelé « qubits d'Andreev » peut exposer son état interne grâce au signal actuel qu'il génère, réduisant ainsi la destruction des informations quantiques lors des mesures traditionnelles.
Dans les ordinateurs classiques, les bits ne peuvent prendre que deux états : 0 ou 1. Cependant, dans l'informatique quantique, les qubits peuvent non seulement représenter 0 et 1, mais peuvent également être dans un état quantique formé par la superposition des deux. C’est cette caractéristique qui fait que les ordinateurs quantiques devraient surpasser de loin les ordinateurs traditionnels dans des tâches spécifiques. Mais en même temps, les états quantiques sont extrêmement fragiles, et les interférences environnementales ainsi que l’acte de mesure lui-même peuvent modifier leur état et entraîner une perte d’informations.
Cette recherche se concentre sur les qubits d'Andreev. Ces qubits sont basés sur des états quantiques spéciaux formés entre des matériaux supraconducteurs. Le système conçu par l’équipe de recherche est constitué d’un nanofil d’arséniure d’indium extrêmement fin. Les deux extrémités du nanofil sont connectées à des matériaux supraconducteurs et un point quantique est formé au milieu pour limiter l'espace d'activité électronique. L’état du qubit d’Andreev se forme dans cet environnement microscopique.
José Carlos Egues, l'un des responsables de la recherche et professeur à l'Institut de physique São Carlos de l'Université de São Paulo au Brésil, a déclaré que dans le cadre de la mécanique quantique traditionnelle, la mesure directe des qubits les amène souvent à s'effondrer dans un certain état, détruisant ainsi les informations initialement préservées. Par conséquent, de nombreuses solutions informatiques quantiques actuelles introduisent des qubits auxiliaires comme « intermédiaires » pour transférer d’abord les informations vers les qubits auxiliaires, puis mesurer ces dernières afin de minimiser l’impact sur les qubits cibles.
Cependant, cette méthode nécessite un équipement et des étapes de fonctionnement supplémentaires, ce qui augmente la complexité du système. L’équipe de recherche a proposé une idée différente, qui consiste à utiliser directement le signal généré par le qubit cible lui-même pour lire des informations sans recourir à des qubits auxiliaires.
Selon les calculs théoriques, le qubit est placé dans un circuit supraconducteur fermé et un supercourant circule sans résistance dans le circuit. Des recherches ont montré que lorsque les qubits sont dans un état de superposition, l’interférence quantique entre différents états amène certains supercourants à produire des oscillations périodiques. Ce signal oscillant est la clé permettant aux chercheurs d’obtenir des informations quantiques.
Normalement, ce type de phénomène d'oscillation nécessite l'application d'une tension pour se produire, ce qui est le fameux effet AC Josephson. Le système proposé dans cette étude ne nécessite pas de tension externe et l'oscillation est entièrement dérivée du processus d'évolution de l'état propre du qubit. Cela signifie que le qubit « libérera » activement ses propres informations d'état.
Afin de détecter ce signal faible, les chercheurs ont conçu et utilisé le SQUID (interféromètre quantique supraconducteur) comme appareil de lecture. SQUID est capable de détecter des changements extrêmement faibles du champ magnétique. L'équipe de recherche a clairement déclaré que le qubit et le SQUID peuvent être considérés comme deux boussoles proches l'une de l'autre. Le courant dans le qubit générera un champ magnétique et le SQUID détectera ce changement dans le champ magnétique. Le couplage entre les deux étant extrêmement faible, la perturbation produite par le dispositif de mesure sur le qubit lui-même est également très limitée.
Une analyse plus approfondie a révélé que toutes les informations clés sur l'état du qubit étaient codées dans le supercourant. Le supercourant contient à la fois une partie constante et une partie oscillante. La valeur du courant constant et l'amplitude de l'oscillation peuvent révéler la proportion de 0 et 1 dans l'état quantique, tandis que le moment où l'oscillation commence reflète la relation de phase entre les deux états. En enregistrant l’évolution du courant au fil du temps, les chercheurs ont pu reconstruire l’état quantique original du qubit.
Cette approche présente également l'avantage important de permettre aux chercheurs de suivre en continu l'évolution des qubits sans avoir à les réinitialiser après chaque mesure, facilitant ainsi l'observation du comportement dynamique des systèmes quantiques.
L'équipe de recherche a ajouté des facteurs réalistes tels que le bruit de mesure et le retour de la bobine de détection dans l'expérience de simulation. Les résultats montrent que la précision des mesures peut atteindre respectivement 99,52 %, 99,81 % et 99,85 %, selon le nombre de mesures. Ces indicateurs ont atteint les exigences de précision couramment utilisées dans la technologie actuelle de correction d’erreurs quantiques.
Les chercheurs ont souligné que cette solution ne résout pas fondamentalement le problème fondamental de l'impact inévitable des mesures quantiques, mais qu'elle peut réduire cet impact à un niveau très faible tout en éliminant le recours aux qubits auxiliaires dans les solutions de mesure non destructives traditionnelles.
Cette étude a été réalisée conjointement par des chercheurs de l'Université de São Paulo au Brésil et de l'Institut de technologie de Pékin en Chine. Les résultats pertinents ont été publiés dans "Physical Review B". L'équipe de recherche a déclaré que la technologie SQUID utilisée pour détecter les courants et les champs magnétiques ultra-faibles est déjà assez mature, il n'est donc pas nécessaire d'attendre de nouveaux matériaux ou des avancées technologiques en matière de fabrication pour mettre en œuvre cette solution. Tous les paramètres utilisés dans l'étude sont dérivés de systèmes réels. La seule chose qui n’a pas été réellement construite est la structure spécifique du dispositif et la disposition expérimentale proposée par l’équipe de recherche.
Les chercheurs pensent que tant que la vérification expérimentale correspondante sera terminée, cette nouvelle méthode de lecture des informations quantiques via le supercourant du qubit lui-même devrait devenir une base technique importante pour que les futurs ordinateurs quantiques puissent réaliser une surveillance de haute précision et à faibles interférences.
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