Des chercheurs d’Argonne ont démontré un circuit quantique sur puce et réalisé un couplage fort entre un résonateur supraconducteur et un dispositif magnétique. Cette recherche antérieure a introduit une nouvelle plate-forme pour étudier le traitement de l’information quantique. Crédit : Image d’Ellen Weiss/Laboratoire national d’Argonne
Un projet financé par le Département de l’énergie entre Argonne et l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign explore le couplage du magnétisme et des micro-ondes pour des découvertes quantiques.
Le département américain de l’Énergie (DOE) a récemment financé à la fois l’Argonne National Laboratory du DOE et l’Université de l’Illinois Champaign-Urbana (UIUC) dans un nouveau projet lié à la science de l’information quantique. L’équipe Argonne apportera au projet son expertise dans le couplage de systèmes supraconducteurs et magnétiques. L’équipe de l’UIUC apportera ses capacités de classe mondiale pour développer de nouveaux matériaux magnétiques pour les systèmes quantiques.
« La science de l’information quantique promet de nouvelles et différentes façons dont les scientifiques peuvent traiter et manipuler les informations pour la détection, le transfert de données et le calcul », a déclaré Valentine Novosad, scientifique senior à la division Science des matériaux d’Argonne. « L’UIUC est un partenaire idéal pour nous permettre de réaliser des découvertes révolutionnaires dans ce domaine. »
Dans le domaine émergent de la science de l’information quantique, les micro-ondes peuvent jouer un rôle fondamental car leurs propriétés physiques leur permettent de fournir la fonctionnalité quantique souhaitée à des températures proches de zéro absolu (moins 460 degrés Fahrenheit) — une nécessité car la chaleur crée des erreurs dans les opérations quantiques. Cependant, les micro-ondes sont sensibles au bruit, qui est une énergie indésirable qui perturbe la transmission du signal et des données.
« La science de l’information quantique promet de nouvelles et différentes façons dont les scientifiques peuvent traiter et manipuler les informations pour la détection, le transfert de données et le calcul. » – Valentine Novosad, division Science des matériaux
L’équipe de recherche étudiera si les magnons pourraient s’associer avec photons micro-ondes pour s’assurer que les micro-ondes ne peuvent se déplacer que dans une direction, éliminant ainsi essentiellement le bruit. Les magnons sont les excitations fondamentales des aimants. En revanche, les photons micro-ondes résultent d’excitations électroniques produisant des ondes comme celles d’un four à micro-ondes.
Les scientifiques d’Argonne s’appuieront sur leurs efforts antérieurs pour créer un circuit supraconducteur intégré à des éléments magnétiques. Les magnons et les photons se parlent à travers ce dispositif supraconducteur. La supraconductivité – l’absence totale de résistance électrique – permet le couplage de magnons et de photons micro-ondes à un niveau proche du zéro absolu.
“Cette capacité présente des opportunités uniques pour manipuler l’information quantique”, a expliqué Yi Li, un post-doctorant dans la division Science des matériaux d’Argonne.
Dans le passé, Argonne a joué un rôle majeur dans le développement de détecteurs et de capteurs supraconducteurs pour comprendre le fonctionnement de l’univers au niveau le plus fondamental. “Nous bénéficierons des précieuses connaissances acquises dans ces projets très réussis en cosmologie et en physique des particules”, a déclaré Novosad.
Les chercheurs de l’UIUC rechercheront des aimants qui fonctionnent à des températures ultrafroides. Ils testeront des systèmes de matériaux connus et nouveaux pour trouver des candidats capables de gérer un environnement ultrafroid et de fonctionner dans un véritable dispositif quantique.
“De nombreux aimants fonctionnent bien avec les micro-ondes à température ambiante”, a déclaré Axel Hoffmann, professeur fondateur en ingénierie à l’UIUC et responsable de ce projet. « Nous avons besoin de matériaux qui fonctionnent également bien à des températures beaucoup plus basses, ce qui peut changer complètement leurs propriétés. »
« Si nous réussissons au cours de ces trois années, nous aurons des structures magnétiques directement intégrées aux circuits quantiques », a déclaré Hoffmann. “Ce travail pourrait également s’appliquer aux dispositifs non quantiques de détection et de communication, tels que les technologies Wi-Fi ou Bluetooth.”
Ce nouveau projet est un autre exemple de la façon dont Argonne et l’UIUC ouvrent la voie vers un avenir quantique. Argonne mène non seulement des recherches interdisciplinaires au sein de son vaste portefeuille de projets QIS, mais dirige également Q-NEXT, l’un des cinq centres de recherche QIS DOE créé en août 2020. De même, l’UIUC soutient un large éventail de projets d’information quantique, tels que Q- NEXT, par l’intermédiaire du Centre des sciences et technologies de l’information quantiques de l’Illinois (IQUIST).
Le DOE Office of Basic Energy Sciences finance ce projet de 3 ans à hauteur de 4,2 millions de dollars. Les recherches antérieures d’Argonne liées aux dispositifs supraconducteurs avaient été financées par les programmes de physique nucléaire et de physique des hautes énergies du DOE.
Outre Hoffmann, Li et Novosad, l’équipe comprend Wolfgang Pfaff, André Schleife et Jian-Min Zuo de l’UIUC.
