Dépasser les limites dans le forçage cohérent des circuits supraconducteurs quantiques – OCTAVES

Une difficulté majeure empêche pour le moment les circuits quantiques supraconducteurs d’atteindre une fidélité d’opération bien supérieure au seuil nécessaire pour la correction d’erreur quantique et donc l’avènement d’un processeur quantique tolérant aux erreurs. Pour des raisons encore mal comprises, les propriétés quantiques des circuits Josephson sont affectées par la présence des champs micro-ondes moyennement puissants. Cela limite la vitesse et la fidélité de lecture requises par la détection des syndromes d'erreur et la performance du pompage paramétrique utilisé dans la correction autonome des erreurs.
D'une part, l'amélioration de la fidélité de la lecture quantique, ainsi que de sa vitesse et de ses propriétés non-destructrices, joue un rôle crucial dans la correction d'erreur quantique active et donc dans la recherche d'un processeur quantique tolérant aux fautes. La lecture des qubits, habituellement effectuée dans les laboratoires expérimentaux, est basées sur l'interaction dispersive de qubits supraconducteurs avec un résonateur forcé par un champ micro-onde. On s'attend à ce que l'augmentation du nombre de photons dans le champ de lecture conduise à une augmentation de la vitesse de mesure et donc à une lecture plus rapide et plus fidèle. En pratique cependant, l'augmentation du nombre de photons circulants se fait rapidement au détriment d'effets indésirables tels qu'une relaxation accrue du qubit transmon ou une augmentation de la probabilité d'excitation thermique.
D’autre part, des propositions et expériences récentes ont montré qu'il est possible de concevoir une interaction non linéaire particulière entre un système quantique et son bain afin de rediriger la dissipation. Ce processus permet ainsi d’évacuer l'entropie des erreurs et de réaliser une correction autonome d'erreurs. La propriété de mélange multi-ondes d'une jonction Josephson, associée à des champs micro-ondes à des fréquences bien choisies, conduit à une interaction non linéaire effective entre un mode de mémoire harmonique et le bain froid. Une telle méthode dite paramétrique conduit à un mécanisme de dissipation non linéaire efficace qui confine la dynamique à une variété dégénérée dans laquelle les états de qubit logiques sont codés. Dans ce processus, la force du confinement, ou de manière équivalente la vitesse à laquelle l'entropie est évacuée, peut être améliorée par une augmentation de la puissance de pompage paramétrique. Cependant, une fois encore, cette augmentation de la puissance se fait au détriment de nouveaux processus d'erreur que nous proposons d'étudier dans ce projet.
Nous pensons que dans ces deux cas, le comportement instable du circuit Josephson en présence des champs micro-onde modérément forts rappelle les dynamiques complexes des jonctions Josephson polarisées en courant RF étudiées en détail dans le passé dans le régime classique. OCATVES réunit un consortium solide de quatre groupes présentant un large éventail d'expertises théoriques et expérimentales complémentaires. Ce projet a pour objectif d’étudier en profondeur ces limites et de proposer de nouvelles solutions avec de nouvelles conceptions de circuits de lecture et des méthodes de pompage paramétrique pour concevoir la dissipation multi-photoniques. Des outils théoriques efficaces seront développés pour analyser et quantifier les dynamiques complexes dans les circuits Josephson quantiques soumis à des champs de forçage moyennement puissants. Les deux avancées expérimentales majeures de ce projet seront une mesure quantique non-destructrice présentant des fidélités record et un premier code bosonique de correction complète d’erreur au premier ordre.