Équation fondamentale des bits quantiques supraconducteurs révisée

Des physiciens du Forschungszentrum Jülich et de l'Institut de technologie de Karlsruhe ont découvert que les jonctions tunnel Josephson – les éléments fondamentaux des ordinateurs quantiques supraconducteurs – sont plus complexes qu'on ne le pensait auparavant. Tout comme les harmoniques d’un instrument de musique, les harmoniques se superposent au mode fondamental. En conséquence, les corrections peuvent conduire à des bits quantiques 2 à 7 fois plus stables. Les chercheurs étayent leurs découvertes par des preuves expérimentales provenant de plusieurs laboratoires du monde entier, notamment l'Université de Cologne, l'Ecole Normale Supérieure de Paris et IBM Quantum de New York.

Tout a commencé en 2019, lorsque Dennis Willsch et Dennis Rieger – alors deux doctorants du FZJ et du KIT et co-auteurs premiers de l’article – avaient du mal à comprendre leurs expériences utilisant le modèle standard pour les jonctions tunnel Josephson. Ce modèle avait valu à Brian Josephson le prix Nobel de physique en 1973. Enthousiasmée d'aller au fond des choses, l'équipe dirigée par Ioan Pop a examiné d'autres données de l'Ecole Normale Supérieure de Paris et un appareil de 27 qubits chez IBM Quantum à New York. York, ainsi que les données d'expériences publiées précédemment. Indépendamment, des chercheurs de l’Université de Cologne ont observé des écarts similaires entre leurs données et le modèle standard.

“Heureusement, Gianluigi Catelani, qui a participé aux deux projets et s'est rendu compte du chevauchement, a réuni les équipes de recherche !”, se souvient Dennis Willsch du FZ Jülich. “Le timing était parfait”, ajoute Chris Dickel de l'Université de Cologne, “puisque, à cette époque, nous explorions des conséquences très différentes du même problème sous-jacent”.

Les jonctions tunnel Josephson sont constituées de deux supraconducteurs séparés par une fine barrière isolante et, depuis des décennies, ces éléments de circuit ont été décrits avec un modèle sinusoïdal simple.

Cependant, comme le démontrent les chercheurs, ce « modèle standard » ne parvient pas à décrire pleinement les jonctions Josephson utilisées pour construire les bits quantiques. Au lieu de cela, un modèle étendu incluant des harmoniques supérieures est nécessaire pour décrire le courant tunnel entre les deux supraconducteurs. Le principe se retrouve également dans le domaine de la musique. Lorsque la corde d’un instrument est frappée, la fréquence fondamentale est recouverte de plusieurs harmoniques.

“Il est passionnant que les mesures effectuées dans la communauté aient atteint le niveau de précision auquel nous pouvons apporter ces petites corrections à un modèle considéré comme suffisant depuis plus de 15 ans”, remarque Dennis Rieger.

Lorsque les quatre professeurs coordonnateurs – Ioan Pop du KIT et Gianluigi Catelani, Kristel Michielsen et David DiVincenzo du FZJ – ont réalisé l'impact de leurs découvertes, ils ont réuni la large collaboration d'expérimentateurs, de théoriciens et de scientifiques des matériaux pour unir leurs efforts. en présentant des arguments convaincants en faveur du modèle harmonique de Josephson. Dans la publication Nature Physics, les chercheurs explorent l’origine et les conséquences des harmoniques Josephson. “En conséquence immédiate, nous pensons que les harmoniques Josephson aideront à concevoir des bits quantiques meilleurs et plus fiables en réduisant les erreurs jusqu'à un ordre de grandeur, ce qui nous rapproche du rêve d'un ordinateur quantique supraconducteur entièrement universel”, a déclaré le rapport. concluent deux premiers auteurs.