qubit transmon

On ne construit pas une route en démolissant les maisons voisines : on pose d'abord l'asphalte, puis on meule l'excédent pour laisser une chaussée bien plane. C'est à peu près ce qu'ont fait les physiciens de Heidelberg en se lançant dans la production de jonctions Josephson, ces minuscules sandwiches de supraconducteur et d'isolant à travers lesquels le courant circule sans résistance.

Un interprète dans une salle d'audience doit transmettre chaque mot sans se laisser distraire par le bruit ambiant. Dans le monde quantique, ce rôle est joué par un résonateur supraconducteur, qui doit perdre des photons selon un calendrier strict, sans dévier vers des effets parasites.

Un film plastique aussi épais qu'un cheveu, et à l'intérieur, des points de platine plus petits qu'un millionième de millimètre. Ces points se nichent à la frontière de deux couches du transistor et capturent la charge électrique comme une éponge absorbe l'eau. Lorsque la charge s'accumule, le transistor modifie sa résistance — et mémorise cet état.

Un interféromètre quantique supraconducteur supernova]est un appareil qui détecte des champs magnétiques des milliards de fois plus faibles que celui qui oriente l'aiguille d'une boussole ordinaire. À l'intérieur se trouve un pont étroit où la supraconductivité est interrompue un instant.

Un tuyau d'eau : plus il est large, plus l'eau passe. Dans les contacts supraconducteurs — les jonctions Josephson (des ponts où le courant circule sans résistance) — c'est généralement pareil : plus le matériau conduit bien à l'état normal, plus le courant supraconducteur qui le traverse est grand.

Dans une pièce sombre, on entend à peine un murmure. Pour distinguer les mots, il faut s'approcher tout près – ou disposer de nombreux microphones sensibles.

Goutte à goutte du robinet — ou jet régulier sans une seule éclaboussure. C'est à peu près ainsi que se présentent les deux régimes de courant dans un contact supraconducteur. Seulement, au lieu de l'eau, ce sont des paires de Cooper — des électrons liés qui se déplacent sans résistance.

Un résonateur vide n'est pas tout à fait vide. Même dans le vide absolu, où il n'y a aucun photon, subsistent des fluctuations quantiques. Elles ressemblent à des rides sur l'eau par temps calme : la surface paraît lisse, mais les molécules continuent de trembler.

Dans le monde quantique, il y a une danse bien à lui. Deux tores supraconducteurs, chacun retenant confortablement son flux magnétique quantifié, tournoient dans une valse synchronisée. Entre eux, le vide, aucune ligne de champ, mais ils répondent sans faillir aux mouvements de l'autre.

Les qubits supraconducteurs sont le cœur battant des ordinateurs quantiques, mais leur rythme est perturbé par la décohérence : la quantique se dissout dans le bruit.

Dans le cristal CsV3Sb5-xSnx, qui devient supraconducteur à basse température, le courant ne circule pas comme un flux continu mais le long de chemins étroits et sinueux. Pour les visualiser, on a utilisé un microscope à balayage équipé d'un capteur magnétique sensible : il détecte les moindres courants, comme un sondeur qui sonderait le fond.

Un interrupteur qui sait tout seul dans quel sens laisser passer le courant. C'est ainsi que fonctionne une diode Josephson : un pont supraconducteur où le courant circule volontiers dans un sens, mais bute dans l'autre. Dans cette nouvelle étude, un tel pont a été réalisé en graphène, une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur.

Un simulateur quantique à pièges à ions ressemble à un orchestre où chaque ion est un musicien et le bus de phonons (les oscillations collectives) est le chef d'orchestre qui transmet les signaux. Tant que tout le monde joue la même mélodie, tout se passe bien.

L'atome est comme un chef d'orchestre, et la lumière dans le résonateur, l'orchestre. L'échange d'énergie entre eux, connu sous le nom d'interaction de Jaynes-Cummings (partie du modèle standard), permet à l'atome de modifier le rythme et le timbre des oscillations par des gestes de sa « baguette ».

Un conducteur tourne le volant pour que la voiture tourne. Dans le monde quantique, il existe aussi des « volants » : des paramètres externes que l'on fait varier lentement pour transporter des particules d'un endroit à un autre.

Une file de personnes qui se tiennent par la main mais regardent dans des directions opposées : certaines vers le nord, d'autres vers le sud. C'est ainsi qu'est structuré un aimant à ondes p. Les électrons y alignent leurs moments magnétiques (spins) non pas de manière aléatoire, mais selon un motif ondulatoire strict.

Un pont d'aluminium de quelques atomes d'épaisseur est le cœur de nombreux dispositifs quantiques. À travers un tel pont, le courant circule sans résistance, et on peut le contrôler par un champ magnétique.

Les particules quantiques peuvent franchir les obstacles, un peu comme une balle qui se retrouverait soudain à l'intérieur d'une colline et en ressortirait de l'autre côté. Cet effet tunnel a été expliqué par George Gamow en cherchant à comprendre comment les particules s'échappent du noyau atomique.

Une clé USB ordinaire dans votre poche chauffe, même lorsqu'elle ne fait rien. Imaginez maintenant une mémoire qui, dans le froid, ne consomme presque rien — comme un thermos qui ne refroidit pas. Le supraconducteur conduit le courant sans pertes à la température de l'hélium liquide, mais il ne savait pas stocker de données.

Un gaz superfluide se comporte comme un liquide sans frottement. Deux nuages de ce gaz sont reliés par un pont étroit, et un flux de particules le traverse. Cela rappelle l'effet Josephson dans les supraconducteurs, sauf qu'ici ce sont des atomes neutres au lieu d'électrons.

Lorsque vous appuyez sur l'interrupteur, la lumière ne s'allume pas immédiatement : il faut du temps aux électrons dans les fils pour « se lancer » et se mettre en mouvement de concert. Dans les métaux et semi-conducteurs ordinaires, le courant monte en puissance progressivement, comme l'eau dans un tuyau quand on ouvre le robinet.

Un processeur quantique ressemble à un carrefour animé : plus il y a de voitures, plus il est difficile de se croiser sans accident. Dans le monde quantique, le rôle des voitures est joué par les qubits — les porteurs élémentaires d'information qui, contrairement aux bits classiques, peuvent être à la fois 0 et 1.

Deux rives supraconductrices sont reliées par un pont en matériau magnétique. À l'intérieur du pont se trouve une paroi de domaine : une frontière étroite où l'aimantation pivote, comme une rangée de soldats qui change de direction.

Une puce quantique ressemble à un mille-feuille : un métal supraconducteur, une fine couche d'isolant, puis encore du métal. Autrefois, on déposait ces couches à travers un masque de polymère — comme un pochoir pour la peinture.

Un qubit, c'est comme une corde qui doit rester immobile avant le début de la mélodie. Si elle vibre, la musique commence par une fausse note. Dans les ordinateurs quantiques, ce rôle de corde est joué par des qubits supraconducteurs. Avant chaque calcul, il faut les ramener à leur état fondamental, sinon les erreurs sont inévitables.

Dans un ordinateur quantique, le qubit est comme un funambule : le moindre souffle de vent, et c'est la chute. Les erreurs s'accumulent et le calcul s'effondre. On les corrige généralement en comparant les qubits voisins, mais c'est comme demander au funambule de surveiller ses voisins du regard : des mouvements superflus et des risques.

Un laser ordinaire est un amplificateur de lumière dans lequel des atomes, après avoir reçu de l'énergie, émettent ensemble des ondes de même fréquence.

Les ordinateurs et capteurs quantiques fonctionnent à des fréquences micro-ondes, mais pour transmettre leurs signaux sur de longues distances, on utilise la fibre optique, qui emploie la lumière.

Deux voitures identiques sortent de la même chaîne de montage. Carrosserie, roues, volant : tout est identique. Seule différence : l'une est équipée d'un moteur à essence classique, l'autre d'un moteur hybride que l'on peut ajuster en fonction de la route. Et voilà que l'hybride cale au bout de deux kilomètres, tandis que l'essence roule des dizaines de kilomètres.

Les circuits supraconducteurs sont souvent construits sur des jonctions Josephson — des endroits où le courant circule sans résistance à travers une barrière mince. Habituellement, cette barrière est une couche d'oxyde, mais ses propriétés sont difficiles à contrôler à l'échelle nanométrique.

Dans un résonateur supraconducteur, la lumière ne se contente pas de se réfléchir : elle enlace le qubit si étroitement que leur danse commune ne peut plus être décrite par les vieux manuels.

En général, le courant électrique est identique dans les deux sens, comme l'eau dans un tuyau droit. Mais à la frontière entre un métal ordinaire et un supraconducteur, cette règle est brisée. Deux vagues sur l'eau, contournant un obstacle large par des côtés opposés, peuvent arriver avec des retards différents et se rencontrer « en décalage ».

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.

Un thermomètre de cuisine ordinaire indique la température à laquelle le mercure cesse d'opposer une résistance au courant électrique.

Un ordinateur quantique, c'est comme un orchestre où chaque musicien doit jouer sa note sans fausser. Mais les qubits supraconducteurs ont un problème commun : des charges aléatoires s'accumulent sur leurs électrodes, et la « note » dérive.

Le qubit, cellule de calcul d'un ordinateur quantique, ne vit que quelques fractions de milliseconde avant d'oublier son état.

Une fine couche d'arséniure d'indium posée sur un substrat isolant se comporte comme un thermos à double paroi : les électrons qu'elle contient ne cèdent presque pas de chaleur au cristal environnant.

Le son à la surface d'un cristal, c'est comme des rides sur l'eau, mais qui courent sur un solide. Ces rides s'appellent des ondes acoustiques de surface : elles se déplacent cent mille fois plus lentement que la lumière, ce qui permet de les comprimer en de très courts segments et de les loger sur une puce minuscule.

Un capteur de champ magnétique ultra-sensible ordinaire ressemble à une balance qui se met à mentir si on y pose une charge trop lourde. Le signal devient déformé, et il faut ajouter une électronique complexe pour redresser les mesures. Cette électronique génère du bruit et empêche un fonctionnement rapide.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien-qubit doit jouer sa note sans fausser. Mais de temps en temps, un passant — une particule de radiation venue du cosmos — fait irruption dans la salle et fait perdre le rythme aux musiciens.