Les scientifiques amplifient les signaux quantiques tout en réduisant le bruit

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Une certaine quantité de bruit est inhérente à tout système quantique. Par exemple, lorsque les chercheurs veulent lire des informations à partir d’un ordinateur quantique, qui exploite des phénomènes de mécanique quantique pour résoudre certains problèmes trop complexes pour les ordinateurs classiques, la même mécanique quantique confère également un niveau minimum d’erreur inévitable qui limite la précision des mesures.

Les scientifiques peuvent contourner efficacement cette limitation en utilisant une amplification « paramétrique » pour « compresser » le bruit – un phénomène quantique qui diminue le bruit affectant une variable tout en augmentant le bruit qui affecte son partenaire conjugué. Bien que la quantité totale de bruit reste la même, elle est effectivement redistribuée. Les chercheurs peuvent alors effectuer des mesures plus précises en ne regardant que la variable à faible bruit.

Une équipe de chercheurs du MIT et d’ailleurs a maintenant développé un nouvel amplificateur paramétrique supraconducteur qui fonctionne avec le gain des anciens compresseurs à bande étroite tout en réalisant une compression quantique sur des bandes passantes beaucoup plus larges. Leur travail est le premier à démontrer la compression sur une large bande passante de fréquence allant jusqu’à 1,75 gigahertz tout en maintenant un degré élevé de compression (réduction sélective du bruit). En comparaison, les amplificateurs paramétriques micro-ondes précédents atteignaient généralement des bandes passantes de seulement 100 mégahertz ou moins.

Ce nouvel appareil à large bande pourrait permettre aux scientifiques de lire les informations quantiques beaucoup plus efficacement, conduisant à des systèmes quantiques plus rapides et plus précis. En réduisant l’erreur de mesure, cette architecture pourrait être utilisée dans des systèmes multiqubits ou d’autres applications métrologiques qui exigent une précision extrême.

« Alors que le domaine de l’informatique quantique se développe et que le nombre de qubits dans ces systèmes atteint des milliers ou plus, nous aurons besoin d’une amplification à large bande. Avec notre architecture, avec un seul amplificateur, vous pourriez théoriquement lire des milliers de qubits en même temps,  » déclare Jack Qiu, étudiant diplômé en génie électrique et en informatique, membre du groupe Engineering Quantum Systems et auteur principal de l’article détaillant cette avancée.

Les auteurs principaux sont William D. Oliver, professeur Henry Ellis Warren de génie électrique, d’informatique et de physique, directeur du Center for Quantum Engineering et directeur associé du Research Laboratory of Electronics; et Kevin P. O’Brien, professeur de développement de carrière Emanuel E. Landsman en génie électrique et en informatique. Le papier apparaîtra dans Physique naturelle.

Réduire le bruit en dessous de la limite quantique standard

Les circuits quantiques supraconducteurs, comme les bits quantiques ou « qubits », traitent et transfèrent les informations dans les systèmes quantiques. Ces informations sont véhiculées par des signaux électromagnétiques micro-ondes comprenant des photons. Mais ces signaux peuvent être extrêmement faibles, c’est pourquoi les chercheurs utilisent des amplificateurs pour augmenter le niveau du signal afin que des mesures nettes puissent être effectuées.

Cependant, une propriété quantique connue sous le nom de principe d’incertitude de Heisenberg nécessite qu’une quantité minimale de bruit soit ajoutée pendant le processus d’amplification, ce qui conduit à la « limite quantique standard » du bruit de fond. Cependant, un dispositif spécial, appelé amplificateur paramétrique Josephson, peut réduire le bruit ajouté en le « serrant » en dessous de la limite fondamentale en le redistribuant efficacement ailleurs.

L’information quantique est représentée dans les variables conjuguées, par exemple l’amplitude et la phase des ondes électromagnétiques. Cependant, dans de nombreux cas, les chercheurs n’ont besoin de mesurer qu’une seule de ces variables – l’amplitude ou la phase – pour déterminer l’état quantique du système. Dans ces cas, ils peuvent « comprimer le bruit », en le diminuant pour une variable, disons l’amplitude, tout en l’augmentant pour l’autre, dans ce cas la phase. La quantité totale de bruit reste la même en raison du principe d’incertitude de Heisenberg, mais sa distribution peut être façonnée de telle sorte que des mesures moins bruyantes soient possibles sur l’une des variables.

Un amplificateur paramétrique Josephson conventionnel est basé sur un résonateur : c’est comme une chambre d’écho avec un élément non linéaire supraconducteur appelé jonction Josephson au milieu. Les photons pénètrent dans la chambre d’écho et rebondissent pour interagir plusieurs fois avec la même jonction Josephson. Dans cet environnement, la non-linéarité du système – réalisée par la jonction Josephson – est améliorée et conduit à une amplification paramétrique et à une compression. Mais, comme les photons traversent plusieurs fois la même jonction Josephson avant de sortir, la jonction est stressée. En conséquence, la bande passante et le signal maximal que l’amplificateur à base de résonateur peut accepter sont limités.

Les chercheurs du MIT ont adopté une approche différente. Au lieu d’intégrer une seule ou quelques jonctions Josephson à l’intérieur d’un résonateur, ils ont enchaîné plus de 3 000 jonctions ensemble, créant ce que l’on appelle un amplificateur paramétrique à ondes progressives Josephson. Les photons interagissent les uns avec les autres lorsqu’ils se déplacent d’une jonction à l’autre, ce qui entraîne une compression du bruit sans stresser une seule jonction.

Leur système à ondes progressives peut tolérer des signaux de puissance beaucoup plus élevée que les amplificateurs Josephson à base de résonateur sans la contrainte de bande passante du résonateur, ce qui conduit à une amplification à large bande et à des niveaux élevés de compression, explique Qiu.

« Vous pouvez considérer ce système comme une très longue fibre optique, un autre type d’amplificateur paramétrique non linéaire distribué. Et nous pouvons pousser jusqu’à 10 000 jonctions ou plus. Il s’agit d’un système extensible, par opposition à l’architecture résonnante », dit-il.

Amplification presque silencieuse

Une paire de photons de pompe pénètre dans l’appareil, servant de source d’énergie. Les chercheurs peuvent régler la fréquence des photons provenant de chaque pompe pour générer une compression à la fréquence de signal souhaitée. Par exemple, s’ils veulent presser un signal de 6 gigahertz, ils régleraient les pompes pour envoyer des photons à 5 et 7 gigahertz, respectivement. Lorsque les photons de pompe interagissent à l’intérieur de l’appareil, ils se combinent pour produire un signal amplifié avec une fréquence juste au milieu des deux pompes. Il s’agit d’un processus spécial d’un phénomène plus générique appelé mélange d’ondes non linéaires.

« La compression du bruit résulte d’un effet d’interférence quantique à deux photons qui se produit au cours du processus paramétrique », explique-t-il.

Cette architecture leur a permis de réduire la puissance de bruit d’un facteur 10 en dessous de la limite quantique fondamentale tout en fonctionnant avec une bande passante d’amplification de 3,5 gigahertz – une plage de fréquences qui est presque deux ordres de grandeur plus élevée que les appareils précédents.

Leur appareil démontre également la génération à large bande de paires de photons intriqués, ce qui pourrait permettre aux chercheurs de lire les informations quantiques plus efficacement avec un rapport signal sur bruit beaucoup plus élevé, explique Qiu.

Alors que Qiu et ses collaborateurs sont enthousiasmés par ces résultats, il dit qu’il y a encore place à l’amélioration. Les matériaux qu’ils ont utilisés pour fabriquer l’amplificateur introduisent une certaine perte de micro-ondes, ce qui peut réduire les performances. À l’avenir, ils explorent différentes méthodes de fabrication qui pourraient améliorer la perte d’insertion.

« Ce travail n’est pas censé être un projet autonome. Il a un potentiel énorme si vous l’appliquez à d’autres systèmes quantiques – pour s’interfacer avec un système qubit pour améliorer la lecture, ou pour enchevêtrer des qubits, ou étendre la plage de fréquences de fonctionnement de l’appareil à être utilisé dans la détection de la matière noire et améliorer son efficacité de détection. C’est essentiellement comme un plan pour les travaux futurs », dit-il.

Les co-auteurs supplémentaires incluent Arne Grimsmo, maître de conférences à l’Université de Sydney ; Kaidong Peng, étudiant diplômé EECS du groupe Quantum Coherent Electronics au MIT ; Bharath Kannan, PhD ’22, PDG d’Atlantic Quantum; Benjamin Lienhard, PhD ’21, post-doctorant à l’Université de Princeton ; Youngkyu Sung, étudiant diplômé EECS au MIT; Philip Krantz, post-doctorant au MIT ; Vladimir Bolkhovsky, Greg Calusine, David Kim, Alex Melville, Bethany Niedzielski, Jonilyn Yoder et Mollie Schwartz, membres du personnel technique du MIT Lincoln Laboratory ; Terry Orlando, professeur de génie électrique au MIT et membre du RLE ; Irfan Siddiqi, professeur de physique à l’Université de Californie à Berkeley ; et Simon Gustavsson, chercheur principal au sein du groupe Engineering Quantum Systems du MIT.

Ce travail a été financé, en partie, par les laboratoires de physique et d’informatique NTT et le bureau du directeur du programme national de renseignement IARPA.

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