Les fines couches de niobium perturbent les bits quantiques express
L'ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien doit jouer en parfaite harmonie. Si un seul instrument joue faux, la mélodie s'effondre. Les qubits supraconducteurs jouent le rôle de ces musiciens, et leur « fausse note » est la perte de cohérence quantique. Les scientifiques cherchent depuis longtemps l'origine des perturbations, et l'une des causes se cache dans le matériau même dont est fait le qubit.
Le niobium est un métal qui devient supraconducteur à très basse température et n'oppose aucune résistance au courant électrique. On en fait la base des qubits transmon. Mais même dans un tel métal, il existe des inhomogénéités invisibles : de minuscules régions où la supraconductivité est altérée, ou des vortex de champ magnétique qui s'y infiltrent. Ces défauts agissent comme un frottement pour les états quantiques — ils font perdre de l'information au qubit plus rapidement.
Pour visualiser ces points faibles, les physiciens ont utilisé l'imagerie magnéto-optique. Cette technique consiste à « éclairer » le champ magnétique avec une lumière polarisée, et l'image révèle comment le flux pénètre dans la couche de niobium. Il s'est avéré que le motif dépend de la manière dont le métal a été déposé. Dans certains échantillons, le flux pénétrait presque uniformément, comme l'eau dans un sable bien nivelé. Dans d'autres, des avalanches ramifiées apparaissaient — le flux s'engouffrait brusquement et de manière irrégulière, tel un éclair pendant un orage.
En mesurant la distribution du champ magnétique dans la couche, les chercheurs ont calculé la densité de courant critique — une grandeur qui indique à quel point le supraconducteur peut transporter du courant sans pertes. Ils ont comparé cette valeur à la qualité des qubits fabriqués à partir des mêmes couches. Résultat : plus l'homogénéité du niobium est mauvaise, plus le qubit perd rapidement son état quantique. Et le principal coupable s'est avéré être la fine couche à l'interface entre le niobium et le substrat de silicium.
Cette couche d'interface est comme un joint irrégulier entre deux pièces d'un jeu de construction. Même si les pièces elles-mêmes sont bien faites, des interstices et des contraintes apparaissent au niveau du joint. Des systèmes quantiques « parasites » s'y installent et volent de l'énergie au qubit. Maintenant que les scientifiques savent où regarder, ils peuvent modifier les conditions de dépôt pour rendre l'interface plus propre et plus régulière. Ainsi, l'orchestre des bits quantiques jouera plus harmonieusement.
Le niobium n'est pas utilisé uniquement dans les ordinateurs quantiques, mais aussi dans les aimants des IRM et dans les accélérateurs de particules — partout où l'on a besoin de supraconductivité à des températures relativement « chaudes » (environ 9 degrés au-dessus du zéro absolu).
Dans la série « Devs », l'ordinateur quantique souffre de l'instabilité des qubits, et les héros cherchent la source des perturbations — tout comme les scientifiques qui traquent les défauts dans les couches de niobium.