Cartographie des positions des systèmes à deux niveaux à la surface d’un qubit transmon supraconducteur

À la recherche de défauts cachés dans les puces quantiques

Les ordinateurs quantiques supraconducteurs promettent de résoudre des problèmes hors de portée des machines actuelles, mais ils sont freinés par de minuscules imperfections qui sapent silencieusement leurs performances. Cette étude montre comment localiser ces fauteurs de trouble, appelés systèmes à deux niveaux, à la surface d’un type de bit quantique très répandu, aidant les ingénieurs à voir précisément quelles parties d’une puce nuisent le plus à sa fiabilité.

Pourquoi de petits défauts comptent

Dans les matériaux solides qui constituent un processeur quantique, certains atomes ne restent pas immobiles en un seul endroit mais peuvent traverser par effet tunnel entre deux positions proches. Chaque défaut se comporte comme un petit interrupteur à deux états, appelé système à deux niveaux. Lorsque ces interrupteurs portent une charge, ils interagissent fortement avec les champs électriques délicats qui stockent l’information dans un qubit supraconducteur. Si l’énergie d’un qubit peut s’écouler dans un défaut voisin, l’état quantique s’estompe plus rapidement, raccourcissant la durée de vie utile du qubit.

Transformer des bits quantiques en capteurs locaux

Les chercheurs utilisent un qubit transmon, une conception largement employée constituée d’une île métallique en forme de croix reliée à un plan de masse environnant par une paire de jonctions Josephson. Autour de cette structure, ils ont disposé quatre pastilles métalliques supplémentaires qui servent d’électrodes de grille. En appliquant des tensions statiques soigneusement choisies à ces pastilles, ils créent des champs électriques locaux qui déplacent légèrement les fréquences propres des défauts proches. Parce que chaque défaut réagit différemment à chaque grille, le qubit et son environnement deviennent en pratique un petit réseau de capteurs capable de détecter l’emplacement des défauts individuels.

Cartographier les défauts par leur empreinte électrique

Pour trouver un défaut, l’équipe utilise d’abord une expérience temporelle appelée spectroscopie d’échange (swap spectroscopy). Ils excitent le qubit, accordent brièvement sa fréquence, puis mesurent quelle quantité d’énergie subsiste. Quand la fréquence du qubit correspond à celle d’un défaut, l’énergie s’échange entre eux et le qubit se détend plus rapidement, révélant le défaut comme une baisse de durée de vie. En répétant cela tout en balayant les tensions sur chaque électrode de grille, on observe dans quelle mesure ce défaut se déplace lorsque chaque pastille est polarisée. Le motif de ces déplacements est ensuite comparé à des simulations informatiques détaillées des champs électriques autour du qubit, permettant à l’équipe de trianguler la position la plus probable de chaque défaut à la surface de la puce.

Où vivent réellement les défauts

Grâce à cette méthode, les chercheurs ont cartographié 55 défauts de surface individuels sur un seul qubit transmon. De façon surprenante, presque soixante pour cent des défauts problématiques se regroupent près des pistes étroites des jonctions Josephson, alors que la majeure partie de la surface de la puce et de l’énergie du champ électrique se situe dans les grandes pastilles du condensateur et le plan de masse. L’analyse suggère que la densité de défauts est environ deux fois plus élevée près des pistes de jonction que sur les larges surfaces métalliques. Cela pointe vers le processus de fabrication de la puce lui-même — en particulier la technique de lift-off utilisée pour dessiner le câblage des jonctions — comme une source probable de désordre, de résidus et de rugosité supplémentaires favorisant la formation de défauts.

Orienter de meilleurs matériels quantiques

En montrant non seulement combien de défauts se couplent à un qubit mais aussi où ils sont le plus fréquents, ce travail fournit aux concepteurs de puces un nouvel outil pour concentrer leurs efforts. Les résultats plaident pour des traitements plus propres et plus doux près des pistes de jonction, pour le façonnage des fils afin d’étaler les champs électriques, et pour l’utilisation d’électrodes sur puce pour éloigner les défauts les plus nuisibles des fréquences des qubits. En termes simples, l’étude offre une carte des pires points sensibles sur une puce quantique et suggère des voies pratiques vers des qubits plus calmes et de plus longue durée de vie.

Citation: Lisenfeld, J., Händel, A.K., Daum, E. et al. Mapping the positions of Two-Level-Systems on the surface of a superconducting transmon qubit. npj Quantum Inf 12, 80 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01272-5

Mots-clés: qubits supraconducteurs, systèmes à deux niveaux, décohérence quantique, jonctions Josephson, fabrication de matériel quantique