La recherche actuelle en informatique quantique serait impossible sans des équipements de test& mesure RF de haute précision

Max Werninghaus, Institut Walther-Meißner

Pour résoudre des problèmes complexes, les ordinateurs quantiques exploitent des propriétés quantiques naturelles. Comme avec les bits classiques, des états logiques sont représentés et traités en utilisant des bits quantiques (qubit). Alors qu'un bit classique est binaire, un qubit peut simultanément exister dans des combinaisons des deux états.

Ce phénomène est connu sous le nom de superposition et ne peut pas être expliqué en utilisant les lois de la physique classique. La superposition est une propriété mécanique purement quantique et correspond à la base de l'énorme potentiel informatique des ordinateurs quantiques.

Des qubits supraconducteurs

La recherche actuelle se focalise sur l'implémentation technique des qubits. Un domaine prometteur est celui des qubits supraconducteurs qui utilisent des circuits électriques pour stocker des champs électromagnétiques avec une très longue demi-vie grâce à leur supraconductivité sans pertes. Un circuit résonnant a été conçu pour produire efficacement un système à deux états contrôlable. La fréquence de résonance pour ce type de circuit appartient généralement à la gamme des micro-ondes à 5 GHz. L'état de base du circuit résonnant est l'état logique zéro, tandis que le premier état excité est l'état logique un.

Le contrôle systématique de ces deux états n'est encore pas possible sans structures additionnelles. Dans les oscillateurs harmoniques, tels que les circuits résonnants LC, l'espacement entre deux états d'énergie adjacents est toujours égal (harmonicité). Un effet secondaire est le décalage incontrôlé d'un signal micro-onde résonnant au sein d'un circuit, soit de l'état de base au premier état excité, soit d'un état excité arbitraire un état suivant plus élevé. Des inductances non linéaires peuvent annuler l'harmonicité. Les jonctions Josephson permettent de créer deux états d'énergie distincts qui peuvent être mesurés en tant que qubit contrôlable. Elles donnent une fréquence caractéristique de la transition de l'état de base vers le premier état excité qui est unique à cette transition. Comme la propriété imite les transitions des électrons atomiques, les qubits supraconducteurs sont également connus en tant qu'atomes artificiels.

Un état quantique est extrêmement fragile. La température de fonctionnement pour un qubit supraconducteur est d'environ 10 millikelvins ou environ –273 °C, ce qui est très proche du zéro absolu. C'est le seul moyen de maintenir le bruit de l'environnement thermique

Contrôle des états quantiques avec des signaux micro-ondes

L'état d'énergie d'un qubit peut être contrôlé avec des signaux micro-ondes externes. Une sphère de Bloch illustre ce processus (Figure de droite). Les états logiques un et zéro sont situés aux pôles Nord et Sud de la sphère de Bloch. Chaque autre point sur la surface de la sphère correspond à un état de superposition. L'état actuel est indiqué par ce que l'on appelle le vecteur d'état. L'interaction avec un signal micro-onde résonnant engendre une rotation du vecteur d'état dans la sphère de Bloch.

Pour effectuer des opérations de calculs fiables avec des qubits, cette rotation doit être contrôlée avec une précision élevée en se basant sur la longueur d'impulsion, l'amplitude du signal micro-onde et l'enveloppe d'impulsion de contrôle. Ce que l'on appelle la phase relative de l'impulsion de contrôle influence l'axe de rotation de l'état qubit dans la sphère de Bloch. Lorsque des impulsions avec la même phase sont appliquées au qubit, l'état tourne toujours sur l'axe x par exemple. Si une impulsion est décalée en phase de 90°, le vecteur d'état tournera sur l'axe y.

Exigences de la source de signaux

Les générateurs de formes d'ondes arbitraires sont des sources de signaux de contrôle fiables et flexibles. Avec des sources micro-ondes et des mélangeurs, les bonnes impulsions peuvent être générées à la bonne fréquence du qubit. En régulant précisément la phase de l'impulsion de contrôle en temps réel et le contrôle exact des enveloppes, tout point cible désiré sur une sphère de Bloch peut être atteint à tout instant à partir de n'importe quel point de départ.

Contrairement aux opérations informatiques classiques avec une tolérance d'erreur élevée, les ordinateurs quantiques reposent sur une calibration précise des impulsions de contrôle. Même de minuscules déviations dans la rotation (rotation de l'état quantique de 1 %) peuvent altérer le résultat de l'opération quantique. Les mêmes erreurs se produisent avec un contrôle imprécis de la phase. Les instruments de contrôle pour les ordinateurs quantiques doivent par conséquent avoir des stabilités d'amplitude et de phase élevées. Les phases de l'impulsion de contrôle sont régulées par les composant en phase et en quadrature de l'impulsion stockées sur le générateur de formes d'ondes arbitraires.

Les algorithmes quantiques et les expériences en informatique quantique sont complexes. Les deux nécessitent la fourniture d'un grand nombre de signaux d'impulsions sur plusieurs voies avec une stabilité de phase pertinente et une synchronisation temporelle. Cela mène souvent à des temps d'attente longs durant l'initialisation d'un matériel de contrôle classique et peut finalement limiter la complexité des expériences planifiées. Divers fabricants de générateurs micro-ondes ont récemment commencé à développer des instruments spéciaux avec des scientifiques en informatique quantique.

Ces instruments peuvent en faire plus que les générateurs de formes d'ondes arbitraires classiques et satisfaire certaines des exigences spécifiques dans ce domaine. Les phases d'impulsion peuvent être gérées directement sur l'instrument avec des réseaux de portes programmables sur site (FPGA), réduisant drastiquement l'espace de stockage nécessaire. Et même des algorithmes quantiques complexes qui impliquent des milliers d'opérations peuvent être réduits à un ensemble gérable d'opérations fondamentales. Il n'y a aucunement besoin de stocker un signal continu dans le générateur de formes d'ondes arbitraires pour chaque algorithme quantique. Un ensemble d'opérations fondamentales contenant des informations relatives à la séquence de sortie est suffisant. Des générateurs de formes d'ondes arbitraires spécialisés pour la recherche en informatique quantique prennent déjà en charge de telles fonctionnalités.

Analyse du signal pour la sélection des états quantiques

Une fois qu'un ordinateur quantique exécute une opération, les états quantiques des qubits sont sélectionnés et les qubits sont couplés aux résonateurs de lecture. Du fait de l'interaction avec le qubit, la fréquence de résonance du résonateur est décalée en fonction de l'état du qubit (Figure). En le simulant avec un signal de lecture proche de la fréquence de résonance, il devient possible de déduire l'état du qubit en se basant sur le décalage dans l'amplitude et la phase du signal, au sein de la transmission ou de la réflexion.

La technologie quantique avancée actuelle permet un fonctionnement efficace de l'électronique de contrôle et du matériel quantique. En intégrant directement des fonctions d'analyse de signaux au sein des instruments, les résultats de l'algorithme quantique peuvent être observés en temps réel. Les générateurs de formes d'ondes arbitraires intelligents simplifient le travail avec les ordinateurs quantiques, de la même manière que les assembleurs ont longtemps été utilisés en informatique et en programmation de machine. L'un des principaux défis ici est la synchronisation et la coordination de centaines de signaux nécessaires pour utiliser des ordinateurs quantiques plus importants.