Portes d’enchevêtrement haute fidélité pour relier des processeurs quantiques supraconducteurs à distance

Les ordinateurs quantiques représentent une promesse considérable pour résoudre des problèmes d’optimisation et de traitement de données que les ordinateurs classiques ne peuvent pas traiter. Parmi les plateformes de calcul quantique les plus prometteuses développées jusqu’à présent, on trouve des processeurs quantiques à qubits supraconducteurs, des circuits miniatures basés sur des matériaux supraconducteurs.

Cependant, malgré leur performance, la majorité des processeurs quantiques supraconducteurs présentent d’importantes limites qui entravent leur mise à l’échelle et leur déploiement. Parmi celles-ci figurent la saturation des fréquences (c’est-à-dire les interférences entre plusieurs qubits ayant des fréquences de résonance chevauchantes) et les difficultés liées au contrôle ou à la mesure de plusieurs qubits à la fois.

Pour surmonter ces limitations, certains physiciens et ingénieurs étudient la possibilité de mettre en place une informatique quantique distribuée, qui nécessite la connexion de plusieurs processeurs plus petits qui fonctionnent comme un système plus grand. Cela requiert l’établissement de portes d’intrication, des instructions qui agissent simultanément sur deux qubits ou plus et les lient grâce à l’effet quantique connu sous le nom d’intrication.

Des chercheurs de l’Académie de sciences quantiques de Pékin et de l’Académie chinoise des sciences ont récemment introduit une nouvelle approche pour créer des portes d’intrication de haute fidélité entre deux processeurs quantiques supraconducteurs distants. Dans un article récemment publié dans Physical Review Letters, ils rapportent avoir réussi à créer des portes d’intrication de haute fidélité entre deux processeurs séparés par 30 cm.

“Ce travail est né d’une question posée par le Dr. Fei Yan (l’un des co-auteurs) l’année dernière”, explique Wen-Gang Zhang, co-auteur de l’article. “Il a demandé : ‘Pouvons-nous réaliser une porte d’intrication à deux qubits entre deux puces quantiques distantes ?’

“Comme indiqué dans l’article, des connexions à distance entre des puces quantiques ont déjà été démontrées. Cependant, ces mises en œuvre reposaient toujours sur le transfert d’état quantique (QST), un processus intrinsèquement inadapté à l’informatique quantique basée sur des circuits. En d’autres termes, le QST ne peut pas permettre directement une computation quantique universelle.”

L’objectif principal de l’étude récente de l’équipe était de surmonter les limitations des approches basées sur le QST pour réaliser des portes d’intrication entre des puces quantiques distantes. Notamment, les chercheurs ont pu réaliser deux portes d’intrication à deux qubits largement utilisées, connues sous les noms de CNOT et CZ.

“Nous avons réalisé les portes d’intrication à deux qubits (parfait intriqueur) en utilisant l’effet de résonance croisée”, explique Zhang. “Cet effet est largement utilisé pour réaliser des portes d’intrication entre des qubits supraconducteurs qui se trouvent à proximité sur la même puce. Dans ces travaux, les qubits sont couplés par des condensateurs. Notre idée est que l’oscillateur harmonique linéaire peut également être utilisé pour coupler deux qubits, et un long câble micro-onde peut être considéré comme une cavité micro-onde.”

Photographie et schéma du circuit pour le système couplé à distance. (a) Photographie montrant les deux boîtiers connectés par un câble coaxial supraconducteur. Chaque support d’échantillon en cuivre a une petite bobine installée à l’intérieur et sous la puce. Inset : disposition d’une puce contenant une ligne de transmission (orange), un résonateur (violet), un transmon (vert) et un guide d’ondes coplanaire de demi-longueur d’onde (HW-CPW, rouge). (b) Le schéma du circuit, et le 15ème mode de courant stationnaire à l’intérieur du câble. Crédit : Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/npr7-b7kq

Dans le cadre de leur étude, les chercheurs ont exploré la possibilité d’utiliser un câble micro-onde pour coupler des qubits distants. Par la suite, ils ont bénéficié d’un effet connu sous le nom d’effet croisé pour réaliser les portes d’intrication souhaitées.

“Ce travail démontre la première porte à deux qubits entre différentes puces quantiques avec une telle fidélité”, déclare Zhang. “Il est à noter que le protocole est remarquablement simple à mettre en œuvre, nécessitant aucun qubit ou ligne de contrôle supplémentaire. Nous pensons que cela constituera un élément crucial pour l’informatique quantique distribuée.”

Cette récente avancée de Zhang et de ses collègues pourrait bientôt ouvrir de nouvelles possibilités passionnantes pour la réalisation d’un traitement de l’information quantique distribué et universel. À l’avenir, les méthodes utilisées dans cette étude pourraient également être appliquées pour coupler des qubits sur la même puce quantique, permettant ainsi, potentiellement, la mise en œuvre de codes de correction d’erreurs LDPC quantiques (c’est-à-dire des codes conçus pour détecter et corriger les erreurs commises par des ordinateurs quantiques).

“Jusqu’à présent, nous avons réalisé une simple démonstration de la porte d’intrication à deux qubits entre deux puces distantes”, ajoute Zhang. “À l’avenir, nous prévoyons de fabriquer des puces plus grandes contenant environ 100 qubits et de les intriquer ensemble afin d’atteindre finalement l’objectif de l’informatique quantique distribuée. De plus, le câble micro-onde est soudé au chip. Nous souhaitons le rendre plug-and-play afin de pouvoir remplacer l’une des puces sans devoir retirer tout le système du réfrigérateur à dilution.”