Français
Menu

Qubits supraconducteurs vs qubits à ions piégés : principe, environnement, vitesse des portes, cohérence, connectivité

Ce sont deux des principales façons de réaliser les qubits d’un ordinateur quantique. L’approche supraconductrice utilise comme qubit un circuit supraconducteur formé de jonctions Josephson et de condensateurs (comme un transmon), commandé par des impulsions micro-ondes. Il peut être fabriqué sur une puce par la même lithographie que les semi-conducteurs, mais doit être refroidi à environ 10 mK dans un réfrigérateur à dilution. L’approche à ions piégés utilise comme qubit des niveaux d’énergie des électrons d’ions maintenus dans le vide par des champs électriques, commandés par des lasers ou des micro-ondes. En général, les qubits supraconducteurs ont des portes plus rapides, tandis que les qubits à ions piégés ont des temps de cohérence plus longs et se connectent plus librement entre eux.

CritèreQubit supraconducteurQubit à ions piégés
Nature du qubitLes deux niveaux d’énergie les plus bas d’un circuit supraconducteur formé d’une jonction Josephson et d’un condensateur (comme un transmon)Deux niveaux d’énergie électroniques d’un ion (comme l’ytterbium ou le calcium) piégé dans le vide
FabricationFabriqué par lithographie sous forme de circuit sur une puceDes atomes sont ionisés, puis piégés et alignés par les champs électriques d’électrodes
Environnement de fonctionnementRefroidi à environ 10 à 20 mK dans un réfrigérateur à dilutionUltravide, avec des ions refroidis par laser ; aucun réfrigérateur millikelvin n’est nécessaire (certains systèmes refroidissent à quelques kelvins pour améliorer le vide)
Méthode de commandeImpulsions micro-ondes de quelques GHzLasers (ou micro-ondes)
Vitesse typique des portesRapide : les portes à deux qubits durent de quelques dizaines à quelques centaines de nsLente : les portes à deux qubits durent de quelques µs à quelques centaines de µs, souvent 2 à 3 ordres de grandeur de plus que les portes supraconductrices
Temps de cohérence typiqueDe quelques dizaines à quelques centaines de µsLong : de l’ordre de la seconde, et davantage dans certaines conditions
ConnectivitéCouplage par des circuits sur la puce, donc surtout entre qubits voisinsLes ions d’un même piège partagent des vibrations communes, si bien que des portes à deux qubits peuvent s’appliquer à n’importe quelle paire
Dispersion entre qubitsS’agissant de circuits fabriqués, de petites différences entre jonctions dispersent les fréquences : chaque qubit doit être étalonnéTous les ions d’une même espèce sont identiques : il n’y a pas de dispersion de fabrication
Défis de la montée en échelleLe nombre de fils entrant dans le réfrigérateur et la chaleur qu’ils apportent, la diaphonie entre qubits, les pertes dues aux défauts des matériauxLe nombre limité d’ions qui tiennent dans un piège, et la lenteur des portes ; des approches qui déplacent les ions ou relient les pièges par la lumière sont à l’étude

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Qubit supraconducteur
Lorsqu’il faut tirer parti de portes rapides pour exécuter de nombreux circuits en peu de temps. Comme cette approche s’appuie sur la fabrication des semi-conducteurs, elle facilite l’intégration de nombreux qubits sur une puce.
Qubit à ions piégés
Lorsque de longs temps de cohérence et une connectivité libre entre qubits comptent. Chaque porte est lente, mais les circuits comportant de nombreuses interactions entre qubits s’exécutent plus facilement, sans opérations de réacheminement supplémentaires.

Questions fréquentes

Pourquoi les qubits supraconducteurs doivent-ils être refroidis à environ 10 mK ?

Non seulement pour rendre supraconducteur l’aluminium du circuit (en dessous d’environ 1,2 K), mais aussi pour rendre l’excitation thermique et le bruit suffisamment faibles. L’énergie hf d’un qubit de 5 GHz correspond à une température d’environ 0,24 K : il faut donc descendre bien en dessous, et les quelque 4 K de l’hélium liquide ne suffisent pas.

Pourquoi les systèmes à ions piégés peuvent-ils appliquer des portes entre des qubits éloignés ?

Les ions alignés dans un même piège se repoussent par la force de Coulomb et partagent donc les vibrations de toute la chaîne. En couplant par laser l’état interne de chaque ion à ces vibrations, on peut appliquer une porte à deux qubits entre deux ions quelconques, et pas seulement entre voisins. Mais à mesure que le nombre d’ions augmente, les modes de vibration se resserrent et les portes deviennent plus difficiles : le nombre d’ions dans un piège est donc limité.

Comment comparer vitesse des portes et temps de cohérence ?

Ce qui compte n’est pas seulement la vitesse absolue, mais le nombre de portes qui tiennent dans le temps de cohérence, ainsi que la fidélité des portes. Les qubits supraconducteurs ont des portes rapides mais une cohérence plus courte, tandis que les ions piégés ont des portes lentes mais une cohérence plus longue : on ne peut donc pas comparer les approches par un seul chiffre. Les performances réelles se jugent en combinant fidélité, connectivité, erreurs de lecture et d’autres critères, et pas seulement le nombre de qubits.

Vérifier vos connaissances

Quelle description de la relation entre le temps de déphasage T2 et le temps de relaxation énergétique T1 d'un qubit est correcte ?

  1. AT2 est fixé indépendamment de T1 et vaut souvent plus de 100 fois T1
  2. BT2 est égal à T1 pour tous les qubits
  3. CT2 ne dépasse pas 2T1
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : C. T2 ne dépasse pas 2T1

T2 est le temps au bout duquel l'information sur la phase relative d'une superposition α|0⟩ + β|1⟩ est perdue. La relaxation énergétique détruit elle aussi l'information de phase : 1/T2 = 1/(2T1) + 1/Tφ, où Tφ est le temps de déphasage pur dû aux fluctuations de fréquence et à des causes similaires, et donc T2 ≤ 2T1. Par exemple, avec T1 = 100 µs et Tφ = 150 µs, T2 vaut environ 86 µs. Dans les qubits réels, les fluctuations de fréquence causées par le bruit de flux ou de charge rendent souvent T2 nettement plus court que 2T1.

Quel élément est indispensable pour qu'un qubit supraconducteur (transmon) fonctionne comme qubit ?

  1. AUne diode à jonction pn
  2. BUn MOSFET à grille flottante
  3. CUne jonction Josephson
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : C. Une jonction Josephson

Une jonction Josephson est formée de deux supraconducteurs séparés par un film isolant mince d'environ 1 à 2 nm ; un courant supraconducteur la traverse sans produire de tension, et elle se comporte comme une inductance non linéaire sans pertes. Un transmon est un circuit résonant qui associe cette jonction à un condensateur. Dans un résonateur LC ordinaire, formé d'une bobine et d'un condensateur, les niveaux d'énergie sont équidistants, si bien que la transition entre |0⟩ et |1⟩ ne peut pas être adressée seule ; la non-linéarité de la jonction rend l'espacement inégal, ce qui permet d'utiliser les deux niveaux les plus bas comme qubit. La jonction est généralement faite d'aluminium et d'oxyde d'aluminium formé par oxydation de sa surface.

Quelle est la raison principale pour laquelle les qubits supraconducteurs sont refroidis à environ 10 à 20 mK dans un réfrigérateur à dilution ?

  1. APour rendre supraconducteurs le câblage et les jonctions, et pour rendre suffisamment faibles l'excitation thermique des qubits et le bruit thermique
  2. BParce que le refroidissement élargit la bande interdite du silicium et élève la fréquence du qubit
  3. CParce que la mobilité des électrons augmente à basse température, ce qui rend les opérations de porte 1000 fois plus rapides qu'à température ambiante
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : A. Pour rendre supraconducteurs le câblage et les jonctions, et pour rendre suffisamment faibles l'excitation thermique des qubits et le bruit thermique

L'aluminium utilisé dans les transmons devient supraconducteur en dessous d'environ 1,2 K, ce qui supprime les pertes résistives. De plus, l'énergie hf d'un qubit de fréquence voisine de 5 GHz correspond à une température d'environ 0,24 K : si l'énergie thermique kT n'est pas rendue bien plus petite que cette valeur, le qubit est excité thermiquement vers |1⟩ et du bruit thermique arrive par le câblage. La température de l'hélium liquide, environ 4 K, ne suffit donc pas, et les qubits sont refroidis à environ 10 mK par un réfrigérateur à dilution qui utilise un mélange d'hélium 3 et d'hélium 4. La vitesse d'un qubit n'est pas fixée par la mobilité, et les qubits supraconducteurs n'utilisent pas la bande interdite du silicium.

  1. Quelle description de la lecture dispersive, largement utilisée pour lire les qubits supraconducteurs, est correcte ?
  2. Quelle description d'un ordinateur quantique à ions piégés est correcte ?
  3. Quelle comparaison des plateformes supraconductrices et à ions piégés est la plus appropriée ?

Questions d'entraînement sur Matériel des ordinateurs quantiques

Termes clés expliqués

Qubit (bit quantique)
Unité qui représente l'information dans un ordinateur quantique. Il peut être dans une superposition α|0⟩ + β|1⟩ de |0⟩ et |1⟩, et une mesure donne 0 avec la probabilité |α|² et 1 avec la probabilité |β|². Les qubits sont réalisés avec des circuits supraconducteurs, des ions, des atomes neutres, des spins d'électrons dans le silicium, des photons, etc.
Transmon
Qubit supraconducteur qui associe une jonction Josephson à un condensateur. Sa fréquence est généralement de quelques GHz, et la non-linéarité de la jonction rend les niveaux d'énergie inégalement espacés, ce qui permet d'utiliser les deux niveaux les plus bas comme qubit. Sa conception le rend peu sensible au bruit de charge, et il est largement utilisé dans les plateformes supraconductrices.
Jonction Josephson
Structure dans laquelle deux supraconducteurs sont séparés par un film isolant mince, ou une couche similaire, d'environ 1 à 2 nm d'épaisseur. Un courant supraconducteur la traverse sans produire de tension, et elle se comporte comme une inductance non linéaire sans pertes. On l'utilise dans les qubits supraconducteurs, les capteurs magnétiques ultrasensibles (SQUID), les étalons de tension, etc. Pour les qubits, elle est généralement faite d'aluminium et de son oxyde.
Réfrigérateur à dilution (cryostat à dilution)
Réfrigérateur qui utilise un mélange d'hélium 3 et d'hélium 4 pour produire en continu des températures cryogéniques d'environ 10 mK. On l'utilise pour faire fonctionner les qubits supraconducteurs et les qubits de spin en silicium. La puissance frigorifique de son étage le plus froid est faible, de l'ordre d'un peu plus de dix à quelques dizaines de µW, si bien que la chaleur qui arrive par le câblage est un défi pour le passage à l'échelle.
Piège à ions (ion trap)
Dispositif qui maintient des ions dans le vide au moyen de champs électriques ou de moyens similaires, ou approche de l'informatique quantique qui l'utilise. Des niveaux d'énergie électroniques des ions servent de qubits et sont commandés par des lasers ou des micro-ondes. Tous les qubits sont identiques, avec de longs temps de cohérence et des fidélités élevées, mais les portes sont plus lentes que sur les plateformes supraconductrices.
Décohérence
Processus par lequel un qubit, en interagissant avec son environnement, perd l'information de phase et d'énergie de sa superposition, et ses propriétés quantiques se dégradent. Sa rapidité se décrit par le temps de relaxation énergétique T1 et le temps de déphasage T2.
Porte quantique (quantum gate)
Opération de base qui change l'état des qubits. Il existe des portes à un qubit comme X (inversion de bit), Z (inversion de phase) et H (Hadamard), et des portes à deux qubits comme CNOT ; elles peuvent se représenter comme des rotations sur la sphère de Bloch. Elles sont réalisées par des impulsions micro-ondes pour les qubits supraconducteurs, et par des lasers ou des moyens similaires pour les ions et les atomes neutres.

Comparatifs associés