Processus multi-photons dans des circuits supraconducteurs pour la correction d'erreur quantique – ENDURANCE

Des technologies exploitant des propriétés quantiques comme le principe de superposition et d'intrication, pourraient révolutionner notre puissance de calcul. Durant les deux dernières décennies, d'impressionnants progrès nous ont rapprochés de l'aboutissement de ces technologies. Cependant, de grands obstacles restent à surmonter. Parmi eux, la construction d'un qubit logique: un système capable d'encoder un bit d'information quantique (IQ), et sur lequel on peut faire de la correction d'erreur quantique (CEQ). La CEQ a pour but de prolonger la durée de vie de l'IQ au-delà des durées de vie des systèmes physiques qui encodent l'information. Cela peut être réalisé en encodant un bit de manière redondante dans un grand espace de Hilbert permettant la détection et la correction d'erreurs. Ce grand espace de Hilbert est en général l'espace des états d'un registre de plusieurs qubits. Cependant, il est encore très difficile aujourd'hui de concevoir et manipuler des architectures de plus d'une dizaine de qubits.

Le but de ce projet est d'aborder ce problème sous un nouvel angle. L’objectif étant de construire un qubit logique basé sur des processus cohérents et dissipatifs à multi-photons. En général, la dissipation détruit l'IQ. Paradoxalement, une dissipation très particulière, qui dissipe les photons en quadruplets seulement, peut en fait protéger l'IQ contre certains processus de dissipation. Le point clé est qu'un tel système a des points d'équilibres qui forment un espace de dimension quatre, où l'on peut encoder un qubit qui sera protégé contre certaines erreurs.

Dans un article théorique récent [Mirrahimi et. al. NJP (2014)], nous avons montré qu'il serait possible de faire de la CEQ basée sur ces processus multi-photons, en utilisant seulement trois oscillateurs et un qubit. Ceci permettrait de contourner la difficulté de construire de grands registres de qubits [Fowler et. al. PRA (2012)]. Ces processus à multi-photons nécessitent des couplages non-linéaires qui dominent les processus de décoherence. Les circuits supraconducteurs contenant des jonctions Josephson sont idéaux pour combiner des fortes non-linéarités et des faibles pertes. Nous avons récemment montré qu'il est possible d'obtenir un taux de dissipation à deux photons qui est du même ordre que le taux de dissipation naturel [Leghtas et. al. Science (2015)]. Pour la CEQ, il est nécessaire d'aller plus loin et de générer de la dissipation à quatre photons qui domine les pertes de l'oscillateur. Cette tâche ambitieuse et difficile sera abordée dans les étapes suivantes:

Premièrement, nous allons concevoir un circuit supraconducteur, incorporant des jonctions Josephson, qui permettra d'obtenir de la dissipation à quatre photons.

Deuxièmement, nous allons construire ce circuit et mettre en place l'équipement expérimental pour le caractériser.

Troisièmement, nous ajouterons à cette dissipation à quatre photons une opération de squeezing qui agira comme une porte logique. Celle-ci maintiendra l'état à tout instant dans l'espace logique, le rendant ainsi robuste aux erreurs.

Enfin, nous implémenterons la mesure de parité en temps réel [Sun et. al. Nature (2014)] pour corriger contre les pertes à un photon.

Ces tâches difficiles et ambitieuses nécessitent de lever plusieurs verrous scientifiques et techniques. Le candidat a publié des résultats préliminaires liés à cette proposition qui donnent de très bonnes chances à ce projet d'être exécuté avec succès. Nous sommes certains que cette proposition ouvrira de nouveaux axes de recherche dans les domaines de l'électrodynamique quantique et de l'IQ.