Deux qubits supraconducteurs sur une même puce sonnent aussi juste que des solistes dans un orchestre. Chacun est un transmon, un qubit moins sensible au bruit de charge. Ils sont reliés par un coupleur accordable, un élément auxiliaire qui ajuste la force de l'interaction entre eux. L'équipe d'IQM Quantum Computers a fait jouer ce duo sans une seule fausse note. La précision moyenne des portes à un qubit a atteint 99,98 %, celle de la porte CZ à deux qubits 99,93 %, et celle de la lecture 99,94 %. Pour la correction d'erreurs quantiques, il faut tout un arsenal : des portes à un qubit rapides, des portes à deux qubits précises et une lecture qui ne détruit pas l'état quantique. Ici, cet arsenal est réuni pour la première fois sur un seul dispositif.

La principale difficulté est la fuite. C'est le passage du qubit hors de l'espace de calcul, vers l'état |02⟩. La fuite est comparable à un musicien qui, au milieu d'un morceau, se met à jouer une note qui n'est pas dans la partition et fait dérailler tout l'ensemble. Les méthodes de calibrage standard distinguent mal cette erreur parmi les autres. Le nouveau protocole PALEA agit comme un chef d'orchestre à l'oreille absolue : après chaque porte, il ajoute une couche de découplage dynamique et moyenne le signal sur des phases aléatoires. Cela amplifie uniquement l'erreur de fuite ciblée, permettant d'ajuster la porte avec une précision chirurgicale. En conséquence, la fuite est réduite au moins de moitié par rapport à la méthode standard d'amplification d'erreur.

L'optimisation de la force de couplage qubit-refroidisseur a été une autre clé. D'abord, les erreurs des portes ont été simulées numériquement en fonction de la force de couplage, et un optimum a été trouvé autour de 75 MHz. Ensuite, une puce a été fabriquée avec une force de couplage effective de 66 MHz. Cet équilibre a permis de minimiser simultanément les erreurs des opérations à un et à deux qubits. La lecture a été optimisée grâce au shelving, qui consiste à transférer l'état excité vers un état plus élevé avant la mesure afin de prolonger sa durée de vie. Cette technique améliore la précision, mais augmente légèrement la fuite. Trouver un compromis entre ces exigences reste un défi ouvert.

Avant ces travaux, on ne savait pas si l'on pouvait atteindre simultanément, sur une seule puce supraconductrice, une précision supérieure à 99,9 % pour les portes à un qubit, à deux qubits et pour la lecture. Optimiser une opération dégrade généralement les autres. On a maintenant montré qu'un choix minutieux de la force de couplage et le nouveau protocole de calibrage PALEA permettent d'atteindre ces trois précisions supérieures à 99,9 % sur un seul dispositif. La méthode peut être immédiatement utilisée dans les laboratoires travaillant avec des qubits supraconducteurs pour accélérer le calibrage et améliorer la précision des portes lors de la montée en échelle.

L'orchestre quantique se prépare pour les grandes scènes. La prochaine étape pourrait être le transfert de cette architecture vers un réseau bidimensionnel de qubits avec quatre connexions par qubit. L'amélioration des temps de cohérence permettrait de réduire encore la force de couplage optimale et de diminuer les interférences croisées. Pour la lecture, on pourrait utiliser le shelving vers le troisième état excité afin d'augmenter encore la précision. Lorsque chaque instrument sonne juste, un ensemble de milliers de qubits pourra exécuter les algorithmes quantiques les plus complexes sans fausse note.