Quand la lumière rencontre les circuits supraconducteurs

Ces dernières années, plusieurs sociétés technologiques dont Google, Microsoft et IBM ont massivement investi dans les systèmes informatiques quantiques reposant sur des plateformes de circuits supraconducteurs à micro-ondes afin de faire évoluer ces petits systèmes de recherche en des plateformes informatiques commercialisées. L’exploitation du potentiel des ordinateurs quantiques requiert toutefois une augmentation significative du nombre de qubits, les composants fondamentaux des ordinateurs quantiques, qui peuvent stocker et traiter les informations quantiques.

Mais les signaux quantiques peuvent être contaminés par le bruit thermique généré par le mouvement des électrons. Pour empêcher cela, les systèmes quantiques supraconducteurs doivent fonctionner à des températures ultra-basses, inférieures à 20 millikelvins, ce que permettent les réfrigérateurs cryogéniques à dilution d’hélium.

Les signaux de sortie à micro-ondes de ces systèmes sont amplifiés par des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à faible bruit à de basses températures. Les signaux sont ensuite acheminés hors du réfrigérateur par des câbles coaxiaux à micro-ondes, qui sont la solution la plus simple pour contrôler et lire les dispositifs supraconducteurs mais représentent de médiocres isolateurs thermiques et prennent beaucoup de place. Cela pose problème lorsque l’on doit augmenter les qubits par milliers.

Les chercheurs du groupe du professeur Tobias J. Kippenberg de la Faculté des Sciences de Base de l’EPFL ont aujourd’hui mis au point une nouvelle approche qui utilise la lumière pour lire les circuits supraconducteurs, surmontant ainsi les difficultés d’évolution des systèmes quantiques. Leurs travaux sont publiés dans Nature Electronics.

Les scientifiques ont remplacé les amplificateurs HEMT et les câbles coaxiaux respectivement par un modulateur de phase électro-optique à base de niobate de lithium et par des fibres optiques. Les signaux micro-ondes des circuits supraconducteurs modulent un porteur laser et codent les informations sur la lumière de sortie à des températures cryogéniques. Les fibres optiques sont des isolateurs thermiques environ 100 fois plus efficaces que les câbles coaxiaux et sont 100 fois plus compactes. Cela permet la fabrication de systèmes quantiques à grande échelle sans nécessiter une importante puissance de refroidissement cryogénique. De plus, la conversion directe des signaux micro-ondes dans le domaine optique facilite le transfert de longue portée et le réseautage entre les systèmes quantiques.

«Nous démontrons une preuve de faisabilité avec un nouveau protocole de lecture optique pour mesurer optiquement un dispositif supraconducteur à des températures cryogéniques», affirme Amir Youssefi, doctorant travaillant sur le projet. «Cela ouvre une nouvelle voie pour faire évoluer les futurs systèmes quantiques.» Afin de vérifier cette approche, l’équipe a effectué des mesures spectroscopiques cohérentes et incohérentes classiques sur un circuit électromécanique supraconducteur, qui ont révélé un accord parfait entre les mesures HEMT optiques et traditionnelles.

Bien que ce projet ait utilisé un modulateur de phase électro-optique commercial, les chercheurs développent actuellement des dispositifs électro-optiques sophistiqués reposant sur la technologie du niobate de lithium intégrée pour améliorer considérablement le rendement de conversion de leur méthode et réduire le bruit.