Un qubit qui ne craint pas le bruit express
Un qubit supraconducteur ordinaire ressemble à une balançoire que le moindre coup de vent fait osciller. La moindre variation de charge électrique à proximité suffit à corrompre l'état quantique. Dans ces nouveaux travaux, les physiciens ont fabriqué une balançoire à socle lourd : la charge sur l'îlot du qubit ne peut changer que par paires, comme si l'on ne pouvait glisser des pièces dans une tirelire que deux à la fois. C'est précisément cette propriété qui protège du bruit de charge.
Le circuit est appelé qubit $\cos(2\varphi)$. Dans ce montage, la jonction tunnel ne laisse passer que des paires de paires de Cooper — des quadruplets d'électrons liés. L'expérience a révélé une séparation entre deux états de parités opposées de 13,6 mégahertz. C'est cent fois moins que dans les versions précédentes, si bien que les secousses de charge aléatoires n'affectent presque plus le qubit. On est même parvenu à le contrôler de manière cohérente et à lire son état en un seul tir.
Mais il y a un revers à la médaille. La faible fréquence de transition rend le qubit vulnérable au bruit magnétique dans la boucle de l'élément tunnel. Le temps de vie $T_1$ atteint 70 microsecondes, et le temps de cohérence avec une impulsion d'écho est de 2,5 microsecondes. Ces chiffres sont encore modestes comparés aux meilleurs qubits conventionnels, mais le potentiel est énorme : si l'on parvient à dompter le bruit magnétique, les pertes par charge pourraient bien dépasser les 10 millisecondes.
Les auteurs proposent deux pistes : des circuits gradiométriques, où le champ magnétique est compensé, ou de nouveaux éléments avec tunnelisation de quatre électrons. Si cela aboutit, les ordinateurs quantiques deviendront nettement plus fiables sans nécessiter une correction d'erreurs complexe.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2603.13114
Superconducting circuits with embedded symmetries are good candidates to robustly protect quantum information from dominant error channels. The $$\cos(2\varphi)$$ qubit, consisting of an island shunted to ground through a tunneling element that selectively transmits pairs of Cooper pairs, leverages charge-parity symmetry to protect from charge-induced errors. In this experiment, we observe a doublet of states of opposite Cooper-pair parity split by $$13.6~\mathrm{MHz}$$. Operating in a soft-transmon regime, this splitting is two orders of magnitude smaller than in previous implementations, pushing charge-induced losses well beyond the measured coherence times. Despite the low transition frequency, we demonstrate coherent qubit control, single-shot readout, and resolve quantum jumps. Charge protection of the qubit is evidenced by a $$100-$$fold suppression of the island charge matrix element compared to the unprotected plasmon transition, placing dielectric loss limits above $$10~\mathrm{ms}$$. The measured $$T_1 = 70~\mu\mathrm{s}$$ and $$T_2^\mathrm{echo}= 2.5~\mu\mathrm{s}$$ are instead limited by $$1/f$$ flux noise in the tunnelling element's loop. This experiment shows that pushing Cooper-pair pairing in the transmon regime sets high limits on charge-induced losses while preserving coherent control and single-shot readout of the low-frequency qubit. We identify flux noise as the dominant remaining limitation, calling for gradiometric designs or novel $$4e$$-tunneling elements.
Les paires de Cooper sont des électrons qui, à très basse température, s'associent en paires et circulent sans résistance. Dans ce qubit, ils ne tunnelisent que par groupes de quatre, comme des wagonnets accouplés deux par deux.
L'idée de protéger l'information quantique du bruit évoque l'« isolation topologique » du roman de Greg Egan, « La Cité des permutants », où les données sont stockées dans des nœuds stables de l'espace.