Spectroscopie de relaxation non markovienne des qubits fluxonium

Pourquoi de minuscules défauts comptent pour l’informatique quantique

Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre certains problèmes bien plus rapidement que les machines actuelles, mais leurs unités de base d’information — les qubits — sont fragiles. Cet article examine pourquoi certains des qubits supraconducteurs les plus performants, appelés qubits fluxonium, perdent parfois de l’énergie d’une manière qui conserve la mémoire de leur passé. Les auteurs montrent que des défauts microscopiques cachés dans le matériau peuvent silencieusement stocker et restituer de l’énergie sur des millisecondes, perturbant subtilement le qubit et remettant en question les méthodes standard de mesure et d’amélioration du matériel quantique.

Coupables cachés à l’intérieur des circuits supraconducteurs

Dans la plupart des descriptions de manuel, un qubit évolue dans un environnement sans particularité qui oublie instantanément chaque interaction, de sorte que sa décroissance d’énergie ressemble à une simple courbe exponentielle lisse. Les dispositifs réels sont plus complexes. Dans les couches vitreuses minces d’oxyde d’aluminium utilisées pour fabriquer les circuits supraconducteurs, d’innombrables défauts à l’échelle atomique peuvent se comporter comme de minuscules systèmes à deux états. Chacun de ces « systèmes à deux niveaux » peut échanger de l’énergie avec un qubit puis ne se relaxer que lentement, agissant comme une sorte d’élément mémoire microscopique dans le matériau environnant. Des travaux antérieurs laissaient entendre que de tels défauts peuvent avoir des durées de vie supérieures à celle du qubit lui‑même, mais les mesures de durée de vie standard supposent un environnement oublieux et peuvent facilement manquer cette mémoire cachée.

Une nouvelle façon d’écouter sur deux horloges à la fois

Les auteurs introduisent une méthode de mesure qu’ils appellent relaxométrie à deux échelles de temps, conçue pour suivre simultanément le qubit et son environnement. Plutôt que de préparer le qubit une fois et d’observer sa décroissance, ils réinitialisent et mesurent le qubit à plusieurs reprises dans de nombreux courts segments de type T1 tout en poussant délibérément les défauts environnants vers des niveaux d’énergie plus élevés ou plus bas sur une période beaucoup plus longue. En ajustant la vitesse à laquelle le qubit se relaxe initialement pendant chaque court segment, puis en observant comment ce taux apparent dérive sur des dizaines de millisecondes, ils peuvent identifier séparément la décroissance rapide du qubit et les réarrangements lents du bain de défauts. De manière cruciale, ce protocole fonctionne même lorsque la lecture du qubit est imparfaite et quelque peu perturbatrice, ce qui le rend adapté aux configurations expérimentales typiques.

Ce qu’ils découvrent à l’intérieur des qubits fluxonium

En appliquant cette méthode à des qubits fluxonium à haute cohérence fonctionnant à des fréquences exceptionnellement basses (environ 0,1–0,4 gigahertz), l’équipe met au jour une forêt de défauts discrets dont les empreintes apparaissent comme des pics nets dans le spectre de relaxation du qubit. Beaucoup de ces défauts conservent l’énergie pendant des millisecondes, mais perdent rapidement la cohérence de phase ; ils échangent donc de l’énergie avec le qubit de façon bruitée et incohérente plutôt que par de belles oscillations. En comparant les spectres observés avec des simulations informatiques du champ électrique à l’intérieur des circuits, les auteurs concluent que les défauts dominants résident probablement dans les barrières tunnel de la longue chaîne de jonctions Josephson qui forme la superinductance du fluxonium, plutôt que sur les surfaces plus larges de la puce.

Propriétés des défauts selon les dispositifs et conceptions

Les chercheurs réalisent des mesures similaires sur un second dispositif fluxonium construit dans une architecture planaire et trouvent à nouveau une douzaine environ de défauts forts avec des durées de vie allant de centaines de microsecondes à des millisecondes. D’après le nombre et l’intensité des résonances observées, ils infèrent que ces défauts présentent des densités de surface et des moments dipolaires électriques remarquablement proches de ceux rapportés pour les défauts d’oxyde d’aluminium à des fréquences micro-ondes beaucoup plus élevées. Cela suggère une origine physique commune qui s’étend sur près de deux décennies en fréquence. Parallèlement, la perte de fond due à des surfaces diélectriques plus conventionnelles semble suffisamment faible pour que, en l’absence de défauts résonants, les fluxonium pourraient atteindre de manière routinière des durées de vie de l’ordre de la milliseconde ou plus.

Implications pour le futur du matériel quantique

Globalement, l’étude dresse un tableau à la fois sobre et opérationnel : le facteur limitant pour les qubits fluxonium n’est pas une perte matérielle générique, mais un paysage dense de défauts microscopiques à longue durée de vie intégrés dans les chaînes de jonctions. Parce que ces défauts introduisent une dynamique lente dépendante de l’historique, ils compliquent les efforts pour stabiliser et monter en échelle des conceptions de qubits protégés contre le bruit qui reposent sur de longues matrices de jonctions ou d’autres éléments à haute impédance. Les auteurs soutiennent que réduire la densité de défauts dans les oxydes des jonctions, ou remplacer les chaînes de jonctions par des structures inductives alternatives à faible perte, sera essentiel pour améliorer encore la cohérence. Parallèlement, leur méthode de relaxométrie à deux échelles de temps offre un outil pratique pour détecter systématiquement le comportement non markovien dans de nombreux types de qubits, aidant les ingénieurs à diagnostiquer et, finalement, à dompter les mémoires cachées dans les dispositifs quantiques.

Citation: Zhuang, ZT., Rosenstock, D., Liu, BJ. et al. Non-Markovian relaxation spectroscopy of fluxonium qubits. Nat Commun 17, 3209 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69910-2

Mots-clés: qubits fluxonium, systèmes à deux niveaux, relaxation non markovienne, circuits quantiques supraconducteurs, décohérence des qubits