Explorer la thermodynamique de l’informatique quantique
Glissement de phase dans une jonction Josephson hystérétiquea, Esquisse en espace réel du mécanisme de glissement de phase : au point d’instabilité de la relation x(), la chute de phase et le courant d’écran I se relâchent brusquement à des valeurs plus petites, comme un quantum de tunnels de flux perpendiculaire à la jonction Josephson (gris foncé), dégageant de la chaleur. b, Chute de phase à travers la jonction SNS par rapport au flux appliqué au SQUIPT, selon l’équation (1) avec =10. La partie en pointillés de la courbe n’est pas accessible. Dans un glissement de phase quantique (flèches bleues), change d’un peu moins de 2. c, Énergie potentielle du SQUIPT en fonction de . Un minimum d’énergie local peut devenir instable lorsque le flux appliqué de l’extérieur est modifié. Par effet tunnel quantique macroscopique de la phase, une vallée d’énergie inférieure est atteinte, libérant une énergie U. Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-022-01844-0
La chaleur et les ordinateurs ne font pas bon ménage. Si les ordinateurs surchauffent, ils ne fonctionnent pas bien ou peuvent même tomber en panne. Mais qu’en est-il des ordinateurs quantiques du futur ? Ces appareils performants sont encore plus sensibles à la chaleur. En effet, leurs unités de calcul de base, les bits quantiques ou « qubits », sont basées sur des unités hautement sensibles, dont certaines sont des atomes individuels, et la chaleur peut être un facteur d’interférence crucial.
Le dilemme de base : Afin de récupérer les informations d’un qubit, son état quantique doit être détruit. La chaleur dégagée dans le processus peut interférer avec le système quantique sensible. La propre génération de chaleur de l’ordinateur quantique pourrait par conséquent devenir un problème, soupçonnent les physiciens Wolfgang Belzig (Université de Constance), Clemens Winkelmann (Institut Nel, Grenoble) et Jukka Pekola (Université Aalto, Helsinki).
Dans des expériences, les chercheurs ont maintenant documenté la chaleur générée par les systèmes quantiques supraconducteurs. Pour ce faire, ils ont développé une méthode capable de mesurer et d’afficher la courbe de température au millionième de seconde avec une précision tout au long du processus de lecture d’un qubit. « Cela signifie que nous surveillons le processus au fur et à mesure qu’il se déroule », déclare Wolfgang Belzig. La méthode a récemment été publiée dans la revue Physique naturelle.
Les systèmes quantiques supraconducteurs produisent de la chaleur
Jusqu’à présent, la recherche sur l’informatique quantique s’est concentrée sur les bases du fonctionnement de ces ordinateurs hautes performances : de nombreuses recherches impliquent principalement le couplage de bits quantiques et l’identification des systèmes matériels optimaux pour les qubits. Peu d’attention a été accordée à la génération de chaleur : en particulier dans le cas des qubits supraconducteurs construits à l’aide d’un matériau conducteur supposé idéal, les chercheurs ont souvent supposé qu’aucune chaleur n’est générée ou que la quantité est négligeable.
« Ce n’est tout simplement pas vrai », déclare Wolfgang Belzig. « Les gens pensent souvent que les ordinateurs quantiques sont des systèmes idéalisés. Cependant, même les circuits d’un système quantique supraconducteur produisent de la chaleur. » Combien de chaleur, c’est ce que les chercheurs peuvent maintenant mesurer avec précision.
Un thermomètre pour le bit quantique
La méthode de mesure a été développée pour les systèmes quantiques supraconducteurs. Ces systèmes sont basés sur des circuits supraconducteurs qui utilisent des « jonctions Josephson » comme élément électronique central.
« Nous mesurons la température des électrons en fonction de la conductivité de tels contacts. Ce n’est rien de spécial en soi : de nombreux thermomètres électroniques sont basés d’une manière ou d’une autre sur la mesure de la conductivité à l’aide d’une résistance. Le seul problème est : à quelle vitesse pouvez-vous prendre les mesures ? » explique Clemens Winkelmann. Les modifications d’un état quantique ne prennent qu’un millionième de seconde.
« Notre astuce consiste à faire en sorte que la résistance mesure la température à l’intérieur d’un résonateur, un circuit oscillant qui produit une forte réponse à une certaine fréquence. Ce résonateur oscille à 600 mégahertz et peut être lu très rapidement », explique Winkelmann.
La chaleur est toujours générée
Avec leurs preuves expérimentales, les chercheurs veulent attirer l’attention sur les processus thermodynamiques d’un système quantique. « Notre message au monde de l’informatique quantique est le suivant : soyez prudent et faites attention à la génération de chaleur. Nous pouvons même mesurer la quantité exacte », ajoute Winkelmann.
Cette génération de chaleur pourrait devenir particulièrement pertinente pour la mise à l’échelle des systèmes quantiques. Wolfgang Belzig explique : « L’un des plus grands avantages des qubits supraconducteurs est qu’ils sont si grands, car cette taille les rend faciles à construire et à contrôler. D’un autre côté, cela peut être un inconvénient si vous souhaitez mettre de nombreux qubits sur un Les développeurs doivent tenir compte du fait que plus de chaleur sera produite en conséquence et que le système doit être refroidi de manière adéquate. »
Plus d’information:
E. Gm et al, Calorimétrie d’un glissement de phase dans une jonction Josephson, Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-022-01844-0
Fourni par l’Université de Constance
Citation: Exploring the thermodynamics of quantum computing (2023, 10 janvier) récupéré le 28 janvier 2023 sur https://phys.org/news/2023-01-exploring-thermodynamics-quantum.html
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