Des ingénieurs viennent de trouver un moyen de refroidir les systèmes quantiques à l'aide de bruit micro-ondes : le "réfrigérateur quantique" régule la chaleur à l'intérieur même des circuits supraconducteurs

Des ingénieurs viennent de trouver un moyen de refroidir les systèmes quantiques à l'aide de bruit micro-ondes : le "réfrigérateur quantique" régule la chaleur à l'intérieur même des circuits supraconducteurs

Une équipe de chercheurs de l'université technologique Chalmers, en Suède, a présenté une nouvelle approche pour refroidir les systèmes quantiques. Dans une étude publiée dans Nature Communications, les scientifiques présentent un « réfrigérateur quantique minimal » qui utilise un bruit micro-ondes contrôlé avec précision pour diriger la chaleur à l'intérieur des circuits supraconducteurs. Ce système permet de contrôler avec précision les courants thermiques à l'échelle de l'attowatt (10^-18 Watt), là où les méthodes de réfrigération cryogénique conventionnelles échouent. En attribuant un rôle constructif au bruit, l'étude suggère de nouvelles stratégies pour stabiliser le matériel quantique à mesure que les architectures deviennent plus grandes et plus complexes.

La plus grande promesse de l'informatique quantique reste son plus grand paradoxe : les conditions qui permettent aux qubits d'accomplir des prouesses extraordinaires en matière de calcul les rendent également extrêmement fragiles. La moindre vibration, le moindre photon ou la moindre fluctuation thermique peut effacer des informations. Des chercheurs de l'université technologique de Chalmers, en Suède, ont désormais pris une mesure contre-intuitive pour résoudre ce problème : utiliser le bruit plutôt que de l'éliminer.

Dans un article récemment publié dans Nature Communications, l'équipe de Chalmers a dévoilé ce qu'elle appelle un « réfrigérateur quantique minimal ». Le dispositif fonctionne non pas en protégeant les qubits des perturbations, mais en exploitant un caractère aléatoire contrôlé – un bruit micro-ondes réglé avec précision – pour diriger le flux de chaleur dans les circuits supraconducteurs.

Cette approche non conventionnelle offre un nouveau mécanisme pour stabiliser les systèmes quantiques qui, sans cela, seraient submergés par des changements d'énergie microscopiques.

Au cœur de l'expérience se trouve une « molécule artificielle » supraconductrice, construite non pas à partir d'atomes, mais à partir de circuits électroniques. À l'instar d'une molécule naturelle, elle échange de l'énergie via deux canaux micro-ondes, qui servent de réservoirs chauds et froids.


Lorsque les chercheurs introduisent une bande contrôlée de fluctuations aléatoires du signal via un troisième canal, le bruit injecté déclenche et module le transport thermique entre les réservoirs, fonctionnant ainsi comme un commutateur pour le flux de chaleur.

Simon Sundelin, doctorant en technologie quantique et auteur principal de l'étude, décrit ce principe comme une dissipation guidée : en modelant délibérément le spectre du bruit, l'équipe peut mesurer et contrôler des courants thermiques de l'ordre de l'attowatt, révélant ainsi le comportement de la chaleur à des échelles presque imperceptibles.

Pour mettre cela en perspective : si un courant aussi faible était utilisé pour réchauffer une goutte d'eau, il faudrait plus de temps que l'âge de l'univers pour augmenter sa température d'un seul degré Celsius.


Cette idée s'inspire d'un concept théorique connu depuis longtemps sous le nom de réfrigération brownienne : l'idée que le mouvement aléatoire, dans des conditions appropriées, peut générer un effet de refroidissement directionnel.

Simone Gasparinetti, professeur associé en technologie quantique à Chalmers et auteur principal de l'étude, qualifie le dispositif du groupe comme la réalisation la plus complète de cette théorie à ce jour. En donnant au bruit un rôle constructif, les chercheurs ont trouvé un moyen d'équilibrer le flux thermodynamique à une échelle où la réfrigération cryogénique conventionnelle échoue.

Les processeurs quantiques basés sur des circuits supraconducteurs, tels que ceux construits par IBM, Google et d'autres, doivent fonctionner à des températures proches du zéro absolu, soit environ -273 °C. Dans ces conditions, les électrons se déplacent sans résistance, ce qui permet les états intriqués qui sous-tendent la logique quantique.

Et pourtant, même à des températures proches de zéro, la chaleur reste l'un des adversaires les plus tenaces de l'informatique quantique. Dans les architectures à grande échelle, le nombre de sources potentielles de chaleur et de bruit augmente considérablement, rendant le contrôle thermique direct crucial pour toute machine quantique réaliste.


Il est intéressant de noter que le réfrigérateur minimaliste de Chalmers ne se limite pas au refroidissement. Selon le réglage de ses réservoirs, il peut également fonctionner comme un moteur thermique ou même un amplificateur. Cette polyvalence pourrait s'avérer essentielle pour la conception de composants quantiques modulaires qui gèrent la dissipation localement à travers un processeur.

Aamir Ali, coauteur de l'étude, souligne que ce qui distingue cette approche, c'est son ampleur : elle permet une régulation thermique « depuis l'intérieur » du circuit quantique lui-même, plutôt que de reposer entièrement sur une réfrigération externe massive.

Cette avancée n'élimine pas les obstacles redoutables qui entravent la mise en pratique de l'informatique quantique, mais elle redéfinit l'un de ses problèmes centraux. Plutôt que de considérer le bruit comme une force purement destructrice, les travaux de Chalmers montrent que, lorsqu'il est correctement maîtrisé, le hasard peut faire partie de la solution.

La découverte des chercheurs suédois survient alors que l’informatique quantique continue de susciter un mélange d'enthousiasme et de scepticisme. Malgré une forte visibilité médiatique et des investissements croissants, de nombreux chercheurs rappellent que cette technologie est encore immature et que ses applications pratiques demeurent éloignées. Face à ce constat, plusieurs voix appellent à tempérer les attentes. Elles estiment que la promesse d'une révolution rapide du calcul quantique a été surévaluée, et que les progrès se feront par une succession d'améliorations incrémentales plutôt que par une rupture brutale.

Source : Etude de l'université technologique Chalmers

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