Brevet FR2839389A1 — publié le 20031107

Domaine Technique La presente invention a pour objet un dispositif de bit quantique supraconducteur a jonctions Josephson. La presente invention appartient au domaine du calcul quantique, et constitue une realisation du composant elementaire denomme "bit quantique", egalement appele qubit. Ce composant est un dispositif physique n'ayant que deux etats quantiques (par exemple au repos et excite) que l'on notera conventionnellement par les vecteurs d'etat kets l o> et | 1>, ce composant pouvant etre place dans une superposition coherente de ces etats, cette superposition etant notee: alo> + b|1> ou les coefficients a et b peuvent prendre des valeurs arbitraires respectant la normalisation de l'etat. Pour qutun qubit soit utilisable pour le calcul quantique, il faut: a/ que son etat quantique puisse etre manipule par une commande externe de fac,on arbitraire (realisation du groupe des operations unitaires de SU(2), ou SW(2) represente l'espace des etats du qubit). Ainsi, il faut notamment pouvoir preparer une superposition coherente quelconque a l o> + b | 1> des deux etats quantiques du qubit (phase d'ecriture), b/ pouvoir fire cet etat quantique fidelement (phase de lecture), c/ un temps de coherence du qubit suffisamment long pour permettre la manipulation de cet etat et le couplage avec un ou plusieurs autres qubits pour realiser des portes logiques (phase de calcul). Des qubits satisfaisant aux conditions a, b et c ci-dessus vent destines a etre, dans une phase ulterieure, couples entre eux et associes de maniere a realiser physiquement des operations logiques pour etre utilises dans des processeurs quantiques. 2 2839389 Les qubits actuels vent de deux types: 1/ ceux du premier type vent fondes sur des objets naturellement quantiques comme des atomes, des ions ou des spins nucleaires. Leur temps de coherence est a priori long (jusqu'a plusieurs secondes); en revanche 1'interconnexion a d'autres bits quantiques est delicate a mettre en ceuvre et ['integration dans un meme dispositif d'un nombre suffisant de qubits pour realiser des calculs ne semble guere realiste dans l'etat actuel des connaissances. 2/ ceux du deuxieme type vent fondes sur des objets fabriques, generalement a 1'aide de micro ou de nano-technologies, comme les circuits electriques supraconducteurs. Leur temps de coherence est a priori plus b ref. mais en revanche l' intercon n exion avec d 'autres bits quantiq u es se presente plus favorablement. L' integration d'u n grand nombre de qubits sur un meme substrat devrait en effet beneficier de 1'experience de la micro-fabrication acquise sur les composants electron iqu es. L'invention appartient a ce second type, et concerne un qubit nano fabrique, essentiellement constitue d'un circuit electrique fait d'un materiau supraconducteur de type S a base de jonctions Josephson. De tels qubits vent destines a etre couples electromagnetiquement entre eux et integres sur un circuit micro-fabrique de maniere a realiser physiquement des operations logiques, puis plus tard encore des processeurs electroniques quantiques. On rappelle qu'une jonction Josephson est caracterisee par deux grandeurs fixees a sa fabrication, notamment par ses dimensions: I'une est l'energie Josephson E qui correspond au couplage entre les electrodes supraconductrices, et l'autre est l'energie de Coulomb Ec=2e2lci qui correspond a ltenergie electrostatique necessaire pour stocker une padre de Cooper sur la capacite Cj de la jonction. Pour un systeme a plusieurs jonctions Josephson, on peut definir une energie 3 2839389 Josephson et une energie de Coulomb effectives pour chaque branche ou lot du circuit. Une jonction est un systeme physique a un seul degre de liberte: la difference de phase supracond uctrice a ses born es, variable conj ug uee S du nombre de padres de Cooper l'ayant traversee. Une jonction peut etre dans un regime de phase ou de charge, selon la valeur du rapport effectif E / Ec du circuit auquel appartient cette jonction. Un circuit multijonctions a done plusieurs degree de liberte, mais on distingue les degree dits principaux, qui vent actifs, des autres qui vent inoperants. Etat de l'art Les circuits qubits supraconducteurs a jonctions Josephson existants presentent un degre de liberte principal qui est soit une charge electrique (nombre de padres de Cooper dans une partie de circuit), soit une difference de phases supraconductrices aux bornes d'une ou plusieurs jonctions Josephson (ou le courant qui en resulte). De fac,on simplifiee, la nature charge ou phase du degre de liberte principal est determinee essentiellement par le rapport entre l'energie Josephson E des jonctions du qubit et leur energie de Coulomb Ec. Lorsque ce rapport est inferieur a ['unite, le degre de liberte principal est une charge, lorsqu'il est superieur a une dizaine, le degre de liberte principal est une phase. En regime intermediaire, les deux caracteres charge et phase apparaissent selon le circuit. Parmi les circuits fondant leur comportement quantique sur une charge, le plus connu est > decrite pour la premiere fois par le document "Quantum coherence with a single Cooper pair", V. Bouchiat, D. Vion, P. Joyez, D. Esteve, and M. H. Devoret, Physica Scripta, T76, 165 (1998). Wile est desormais bien connue de l'homme du metier, et on se bornera a rappeler qu'une bo^'te a padres de Cooper comprend une portion de circuit supraconducteur isolee du reste du circuit par un ou des materiaux isolants (ou le vice), et couplee au 4 2839389 reste du circuit par au moins une jonction Josephson. La Figure 1 represente schematiquement une telle portion de circuit 10, appelee lot, comprise entre l'isolant 11 de la jonction Josephson et l'isolant d'un condensateur 13 connecte en serie de capacite Cg et dont l'autre S extremite est reliee a une source de tension de polarisation 12 de valeur Vg. Ce condensateur 13 realise un couplage capacitif entre [''lot et la source de tension continue reglable de polarisation 12, qui determine le point de fonctionnement du circuit. La superposition d'etats quantiques de [''lot est obtenue par une sequence adequate d'impulsions radiofrequences appliquees soit au meme condensateur 13, soit a une autre electrode egalement couplee capacitivement a l'' lot. Le probleme majeur d'un tel dispositif reside dans ['existence de charges electriques, fluctuant de maniere erratique, au voisinage immediat de l''lot. Ce > en charge d'une part reduit le temps de coherence de l'etat quantique de la bo^'te a padres de Cooper 10, et d'autre part brouille toute mesure de la charge de cet etat par un electrometre. L'electrometre peut etre rem place par u n autre ci rcu it de mesu re, comme indique dans le document "Coherent control of macroscopic quantum states in a single-Cooper-pair box" de Nakamura et al. de la societe NEC, NATURE, vol. 398 du 29/04/1999. La representation schematique de ce circuit est reproduite en figure 2 de la presente demande. L''lot 10 de la boire a padres de Cooper est delimite par deux jonctions Josephson 1 et 2, un condensateur 3 relic a la source 21 de tension continue reglable de polarisation Vg ainsi que par un condensateur 4 relic a une source d'impulsions radiofrequences Vp a la frequence de transition de l''lot. L''lot est aussi delimite par une troisieme jonction Josephson 5, de dimensions tres faibles, et ne constituent qu'un couplage a une source de tension 23 delivrant une tension Vb et un amperemetre (non represente) destines a fire ltetat du qubit. Bien que cette jonction Josephson de lecture 5 ait une resistance quelques centaines de fois plus elevee que la resistance des autres jonctions Josephson, I'observation 2839389 permanente qu'elle effectue sur le qubit conduit a sa perte rapide de coherence. Cette methode de lecture qui est moins sensible au bruit en charge aggrave la decoherence du qubit au point d'hypothequer son fonctionnement. Le temps de coherence obtenu, limite par le bruit en charge et la lecture permanente, est de quelques nanosecondes. On peut remarquer que dans les deux methodes de lecture ci dessus, le meme degre de liberte, la charge electrique, est utilise pour l'ecriture et pour la lecture du qubit. Plus synthetiquement, on peut dire que la bo'^te a padres de Cooper, comme tout circuit qui fonde son comportement quantique sur un seul degre de liberte en charge, est soit affectee d'un bruit de charge excessif, soit affectee d'une trop grande brievete du temps de coherence. Ce bruit de charges etant lie a un environnement electrostatique extremement difficile a ma^triser, les chercheurs de l'Universite de Technologie de DELFT aux Pays-gas se vent efforces de realiser un qubit dont les degree de liberte vent des phases. Le degre de liberte principal donne naissance a des courants permanents au sein d'une boucle supraconductrice. Ces travaux vent rapportes dans les deux documents cidessous. Le premier document de l'UT-DELFT "Josephson persistent-current qubit" de J.E.Mooij, C.van der Wal, et Al. Pp. 1037-1039, SCIENCE, vol. 285 du 13/08/1999 est avant tout un projet de realisation. On y decrit un qubit proprement dit constitue de trots jonctions Josephson connectees en serie dans une boucle supraconductrice, traversee par un flux magnetique ajustable. Deux de ces jonctions Josephson ont la meme energie Josephson, et la troisieme a une energie Josephson plus faible, preferentiellement de 0,75 E. Ces trots jonctions Josephson vent en outre construites de telle maniere que le rapport entre leur energie Josephson E et leur energie de Coulomb Ec soit de l'ordre de 80. 6 2839389 Les deux etats quantiques fondamentaux donnent naissance dans la boucle supraconductrice a des courants de sens opposes i0 et i,. Selon un premier mode de realisation decrit dans ce document, I'ecriture steffectue par des impulsions radiofrequence de courant envoyees dans un conducteur de commande situe au voisinage de la boucle supraconductrice. II est schematise par un fil rectiligne magnetiquement couple a la boucle, et realise sur un niveau different par rapport au substrat. Le second document de l'UT-DELFT "Quantum superposition of macroscopic persistentcurrent states" de C.Van der Wal, J.E. Mooij et al, pp 773-776, SCIENCE, vol 290 du 27/1012000, decrit une realisation de l'un des qubits proposes dans le document precedent (boucle supraconductrice a trots jonctions Josephson). La figure 1 A de ce document montre schematiquement un bit quantique proprement dit, limite a trots jonctions supraconductrices Josephson. Wile est reproduite en figure 3 de la presente demande, ou les trots jonctions Josephson vent referencees 51, 52 et 53. Le circuit d'ecriture, non represente sur le schema, est un simple fil parcouru par une impulsion de courant comme dans la proposition du premier document precise de l'UT-DELFT. Le circuit de lecture recourt a un SQUID couple magnetiquement au qubit, et constitue des jonctions Josephson 54 et 55. Un tel qubit a un temps de coherence de 15 ns, trop court pour etre manipulable, et ltefficacite de la lecture est tres falble (rapport signal sur bruit S/B impliquee dans l'ecriture et la lecture du qubit. Le document WO01 50534 ayant pour titre "Qubit using a Josephson junction between S-wave and D-wave superconductors" decrit une proposition theorique de qubit Josephson base sur une bo^te a padres de Cooper dont l'une des electrodes de la jonction Josephson est un supraconducteur non BCS avec une symetrie de fonction d'onde de type 7 2839389 D, I'autre etant un supraconducteur conventionnel avec une symetrie de type S. Le choix de ces deux types de supraconducteurs de symetries differentes S et D est essentiel pour le fonctionnement de ce circuit car la methode de lecture repose sur ['existence de moments magnetiques dans une telle jonction SD. Un tel dispositif ne peut en aucun cas fonctionner sans le supraconducteur de type D. Ces supraconducteurs etant des ceramiques, les jonctions SD vent tres delicates a mettre en couvre. La lecture est basee sur l'utilisation de transistors a un electron. Le document WO 02 15290 "Shaped Josephson junction qubits" decrit une proposition theorique de qubit Josephson et les resultats preliminaires d'une realisation. Le qubit decrit est base sur les etats de phase d'une jonction Josephson longue en forme d'anneau, dans laquelle la phase effectue une rotation de 2?1 au cours d'un tour. Les deux niveaux quantiques du qubit ntont pas ete observes, et le temps de coherence n'a done pas pu etre determine. Ainsi, les qubits supraconducteurs a jonctions Josephson existants, que leurs degree de liberte principaux solent seulement des charges, ou seulement des phases 6, ne parviennent pas a atteindre un temps de coherence suffisamment long pour permettre une lecture gable de leur etat. Ils ont par ailleurs une caracteristique en commun: ils recourent a une meme grandeur physique a la fois pour modifier l'etat du qubit (ecriture) et pour le mesurer (lecture). Expose de ['invention Le qubit selon ['invention vise a eviter les inconvenients de l'art anterieur, notamment la brievete du temps de coherence et la falble fidelite de la lecture. Un autre but de ['invention est de faciliter le couplage de plusieurs qubits, de preference sur un meme substrat. Ces buts vent atteints conformement a ['invention, grace a un dispositif de bit quantique supraconducteur a jonction Josephson selon I'invention, caracterise en ce qu'il presente un premier degre de liberte principal affecte a l'ecriture et un deuxieme degre de liberte principal 8 2839389 affecte a la lecture, et en ce que l'un des premier et deuxieme degree de liberte principaux est lie a une charge tandis que l'autre des premier et deuxieme degree de liberte principaux est lie a une phase. De preference, le premier degre de liberte principal affecte a I'ecriture est une charge, et le second degre de liberte principal affecte a la lecture est une phase. Selon un mode de realisation preferential, le qubit selon ['invention comprend: - une bo^'te a padres de Cooper comprenant des premiere et deuxieme jonctions Josephson delimitant un lot de charges de la bo^'te a padres de Cooper et se refermant sur une boucle supraconductrice pour former un qubit, - un circuit d'ecriture comprenant une electrode de grille placee en regard de ladite bo'^te a padres de Cooper et constituent avec elle un condensateur de capacite Cg, I'electrode de grille capacitivement liee a l'lot de charges permettant de placer ce qubit dans l'un ou l'autre des deux etats de base du qubit ou dans une superposition coherente de ces etats, une tension de polarisation Vg etant appliquee a ['electrode de grille a partir d'une source de tension ajustable, et - un circuit de lecture comprenant une jonction Josephson de lecture inseree dans lad ite boucle sup racond uctrice, et d'en ergie Josephson au moins 50 fois superieure a l'energie Josephson de chacune des premiere et deuxieme jonctions Josephson. Les premiere et deuxieme jonctions Josephson definissant [''lot de charge presentent d'une part des energies Josephson Ej tres proches et d'autre part une energie de Coulomb Ec approximativement egale a leur energie Josephson Ej. Les jonctions Josephson definissant l'lot de charge presentent un rapport Ej/Ec entre leur energie Josephson E et leur energie de Coulomb Ec qui est compris entre 1 et 3. 9 2839389 La boucle supracond uctrice est constru ite de tel le man iere que la frequence de transition vO, du qubit ainsi forme puisse etre ajustee a une valeur stationnaire vis-a-vis des parametres et perturbations exterieures. Le dispositif selon ['invention comprend des moyens apses a faire traverser la boucle supraconductrice par un flux magnetique ajustable agissant sur la phase du qubit. La jonction Josephson de lecture a un rapport E/Ec effectif, compte tenu de la capacite ajoutee par le circuit de lecture, assez grand pour que les fluctuations de sa phase induites par le circuit exterieur soient inferieures a 0,01 red. Selon un mode de realisation preferential, le dispositif comprend un circuit de lecture, independent du circuit d'ecriture, galvaniquement connecte a la cite boucle supraconductrice du qubit, et comportant, outre la jonction Josephson de lecture, d'une part des moyens pour appliquer pendant la phase de lecture une impulsion de courant lb de duree et d'amplitude parametrables, et d'autre part des moyens de detection des sauts de phase de 2 aux bornes de la jonction Josephson de lecture qui apparaissent, suite a l'impulsion de lecture, pour l'un des deux etats exclusivement. Avantageusement, le dispositif est preregle par ses parametres Ng de charge de polarisation, et de difference de phases supraconductrices liee au flux magnetique j traversant la boucle supraconductrice et au courant de lecture lb, en un point de fonctionnement Fi ou la frequence de transition vO, du qubit est stationnaire vis-a-vis des deux parametres de reglage Ng et 6. De preference, le point de fonctionnement Fi du dispositif est le point F1 constituent un point col du graphe tridimensionnel representant la frequence propre vO du qubit en fonction de Ng et 6. En dehors des sequences de lecture produisant des impulsions de lecture ayant une valeur de crete Ibc, les moyens d'application d'une 2839389 impulsion de courant delivrent un courant de repos de l'ordre de -0251bc, negatif par rapport au sens des impulsions de lecture, permettant d'obtenir, lorsqu'une impulsion de lecture arrive, un deplacement de la difference de phase supraconductrice compris entre x/2 et. Breve description des dessins D'autres caracteristiques et avantages de ['invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de realisation, donnes a titre d'exemples, en reference aux dessins annexes, sur lesquels: - les Figures 1 a 3 representent schematiquement des exemples de circuits de l'art anterieur, - la Figure 4 est un schema-bloc illustrant de fa,con synthetique un dispositif de bit quantique supraconducteur selon ['invention, - la Figure 5 est un diagramme en trots dimensions illustrant le choix du point de fonctionnement d'un dispositif de bit quantique selon ['invention, - la Figure 6 est un diagramme illustrant le deplacement adiabatique de l'etat du systeme d'un dispositif de bit quantique selon ['invention, durant une impulsion de mesure, - la Figure 7 est un schema illustrant un mode particulier de realisation d'un dispositif de bit quantique supraconducteur selon ['invention, - la Figure 8 represente des exemples de chonogrammes de signaux intervenant des les manipulations ou la mesure d'etat quantiques d'un dispositif de bit quantique selon ['invention, - la Figure 9 est un diagramme representant les interferences de Ramsey du dispositif de bit quantique selon ['invention, qui montrent son temps de coherence, et - la Figure 10 est un schema illustrant un exemple de couplage de deux exemples de dispositifs de bit quantique supraconducteurs selon ['invention. 1 1 2839389 Exnose detaille de modes de realisation particuliers de ['invention Un dispositif de bit quantique supraconducteur (ou qubit) selon ['invention permet d'accrotre le temps de coherence par rapport aux dispositifs de l'art anterieur et d'augmenter la fidelite de lecture. Pour cela, il utilise simultanement deux degree de liberte principaux: une charge et une phase 6. Le dispositif selon ['invention sera decrit plus particulierement a ['aide du schema de la Figure 4. Le degre de liberte principal est celui d'une bo^te a padres de Cooper 110 dont le rapport entre l'energie Josephson EJ et l'energie de Coulomb EC de la jonction effective 101, 102 est compris entre 1 et 12, et preferentiellement entre 5 et 12. Sa nature en charge est exploitee pour la manipulation du bit quantique en appliquant des tensions sur ['electrode de grille 131 de la bo^'te 110. Le degre de liberte principal de la nature d'une phase est caracterise par le rapport entre l'energie Josephson E3L et ltenergie de Coulomb Ec d'une troisieme jonction Josephson 105, incluse dans une boucle supraconductrice de type S se refermant sur la bo^'te de Cooper 110, et constituent ['element detecteur du circuit de lecture: ce rapport est superieur a 5000. L'ecriture s'effectue d'une part en agissant sur le degre de liberte de charge en appliquant a ['electrode de grille 131 de la bo^'te 110 (couplage par le condensateur 103 de capacite Cg) une tension continue Vg a partir d'une source de tension 121 pour atteindre le point de fonctionnement optimal Ng=1/2, ou Ng represente la charge de polarisation reduite de [''lot CgVg/2e) et d'autre part, a partir d'une source 122, des impulsions radiofrequence u(t) a la resonance avec le qubit de la bo^'te 110. Lors de la lecture, une impulsion de courant lb est appliquee a la jonction de lecture 105, a partir d'une source de courant 125, pour l'amener pres de son courant critique. La determination de l'etat du bit quantique s'effectue en detectant ou non un ou des sauts de phase de 2 pour la jonction de lecture 105. Lorsque ces 12 2839389 sauts de phase forment une avalanche ininterrompue, la lecture s'effectue en mesurant la tension V aux bornes de la jonction de lecture 105 a ['aide d'un circuit amplificateur 126. Les deux etats du qubit correspondent fidelement a ['apparition ou non d'une tension finie. Lorsque le qubit est en S ecriture ou encore en maintien / calcul, cette jonction de lecture 105 se comporte comme un court-circuit en raison de son energie Josephson E3L de ltordre de 50 a 100 fois superieure a l'energie Josephson de chacune des deux autres jonctions 101, 102. On peut egalement definir le qubit selon ['invention en ce qutil se fonde sur un dispositif a deux degree de liberte quantiques auxquels vent associees deux grandeurs physiques de nature differente: - une variation de tension (ou de charge) sur une electrode de grille qui permet ltecriture d'une superposition coherente a l o> + b | 1> des deux etats quantiques du qubit, - une difference de phase ou un courant dans une boucle en materiau supraconducteur de type de type S comme par exemple les supraconducteurs a base daluminium ou de niobium, dont la mesure permet de fire l'etat du qubit Ce dispositif est apte a etre place dans les conditions qui maximisent le temps de coherence. Cette independence des deux ports est un avantage essentiel pour decoupler l'ecriture de la lecture. On peut encore definir ce circuit supraconducteur qubit selon ['invention en ce que: a) il comporte un lot supraconducteur entre deux jonctions Josephson 101, 102 d'energie Josephson EJ] et E2 comparables, ces jonctions etant comprises dans une boucle supraconductrice de type S. la boucle etant construite de telle maniere que la frequence de transition du qubit puisse etre ajustee electriquement a une valeur stationnaire des parametres et perturbations exterieures, b) il comporte une electrode 131 capacitivement liee a [''lot supra conducteur, que la configuration du circuit rend apte a regler la 13 2839389 frequence de transition entre les deux etats du qubit, cette electrode etant par ailleurs apse, lors des phases d'ecriture, a placer le qubit dans une superposition coherente des deux etats du qubit, c) il comporte des moyens 133, 135 d'appliquer a la boucle supra conductrice un flux magnetique p, que la configuration du circuit rend apte a regler la frequence de transition vO entre les deux etats du qubit, d) il comporte une troisieme jonction Josephson 105 cite de lecture, dont l'energie Josephson E3L vaut de l'ordre de 50 fois a 100 fois, et preferentiellement environ 80 fois, I'energie Josephson EJ] OU EJ2, des jonctions Josephson 101, 102 definies ci-dessus, cette jonction Josephson de lecture 105 fonctionnant alors comme un court-circuit supraconducteur lors des phases d'ecriture ou de maintien, et fonctionnant comme un detecteur a seuil lors de la phase de lecture, e) il comporte un circuit de lecture, independent du circuit d'ecriture, galvaniquement connecte a la boucle supraconductrice du qubit, et comportant, outre la jonction Josephson de lecture 105, d'une part des moyens 125 pour appliquer pendant l'etape de lecture une impulsion de courant lb de duree et d'amplitude ajustables, et d'autre part des moyens 126 de detection des sauts de phase aux bornes de la jonction Josephson de lecture 105 sous l'effet conjugue de l'etat du qubit et de l'impulsion de lecture. Par ailleurs, I'ensemble du circuit electrique est concu de telle man iere q ue sa structu re et son fonction nement so lent les plus symetriques possibles. De plus, le qubit est apte a etre place dans des conditions de fonctionnement qui favorisent le maintien de sa coherence. Ces conditions de fonctionnement qui favorisent le maintien de la coherence du qubit objet de ['invention sont: 1) prealablement a son utilisation et durant la manipulation de l'etat quantique, I'ajustement electrique de la frequence de transition des deux etats quantiques a une valeur stationnaire vis-a-vis de la tension 14 2839389 continue Vg appliquee au condensateur 103 de capacite Cg sur ['electrode 131 n'appartenant pas a [''lot de charges, et vis-a-vis du flux magnetique traversant le qubit, 2) lors des phases d'ecriture (manipulation de l'etat quantique), S l'annulation de ['ensemble des courants circulant dans la boucle du qubit proprement dit, ceci par une combinaison particuliere d'un flux magnetique et d'un courant dans la jonction de lecture 105, 3) le circuit de lecture n'est pas active en permanence mais seulement a certains instants determines par des impulsions de lecture lb. L''lot de charge peut, a travers le condensateur 103 de capacite Cg qui lui est connecte, etre polarise en charge. Ceci s'effectue en appliquant a ltelectrode 131 du condensateur 103 n'appartenant pas a l''lot, une superposition: - d'une tension continue de polarisation Vg qui en pratique determine la frequence de resonance de la boucle que constitue le qubit. - d'une sequence d'oscillations de tension u(t) a cette frequence de resonance, leur amplitude et leur nombre permettant de placer le qubit dans une superposition coherente a |O>+b |1> de ses deux etats quantiques. Les jonctions Josephson 101, 102 delimitant [''lot de charges vent choisies de maniere telle que leur energie Josephson E soit proche de leur energie de Coulomb Ec. Chacune d'elles a une electrode qui fait partie de [''lot supraconducteur, et une electrode qui n'en fait pas partie. Entre les electrodes de chacune de ces jonctions qui ntappartiennent pas a l''lot, la difference de phase imposee par l'impulsion de courant de lecture fait circuler dans la boucle du qubit des courants qui dependent de son etat. Ces deux jonctions Josephson 101, 102 vent choisies de telle maniere que leur energie E soit tres proche de leur energie Ec, ce qui est generalement realise pour des jonctions de tres petites dimensions. En outre, les energies Josephson E des jonctions 101, 102 presentent des 2839389 valeurs les plus proches possibles. Les electrodes des jonctions Josephson n'appartenant pas a l'lot se rejoignent pour former une boucle supraconductrice, I'ensemble formant le qubit proprement cit. En realite, cette boucle comporte aussi la troisieme jonction Josephson 105, mais de S dimensions beaucoup plus grandes de sorte que pour cette derriere, I'energie Josephson E est tres grande devant l'energie de Coulomb Ec. C'est cette caracteristique qui permet a la jonction de lecture de se comporter, en dehors des periodes de lecture, comme un court circuit supraconducteur. Renlage du noint de fonctionnement du qubit: La frequence de transition du qubit depend des parametres exterieurs que vent la charge couplee a [''lot et le flux magnetique a travers la boucle. Un bruit encharge electrique ou en flux magnetique est done susceptible de faire varier cette frequence de transition durant la manipulation du qubit, et done d'induire un dephasage aleatoire responsable de la decoherence de son etat quantique. La sensibilite a ces bruits est done minimale aux points de fonctionnement F., F2, F3 ou la frequence de transition vO est stationnaire vis-a-vis des parametres exterieurs. Ces points de fonctionnement vent done preferentiels. Pour un qubit selon ['invention les points possibles vent le point selle note F sur la Figure 5 (Ng=0.5 et d=0) ainsi que le point sommet F2 ou F3 a 2 pres (Ng=0 ou 1 et =0) du graphe tridimensionnel. Inscription d'un etat ou d'une superposition coherente d'etats L'amplitude de la tension alternative u(t) correspond a une charge couplee de l'ordre de 0,01 fois 2e. Lecture de l'etat du qubit: Pour la lecture de l'etat du qubit, un generateur de courant 125 en parallele avec la jonction Josephson de lecture 105 genere une impulsion lb (Figure 8) d'intensite et de duree ajustables (typiquement 100 ns). Lors 16 2839389 d'une impulsion, ce generateur de courant 125 induit aux bornes de la jonction Josephson de lecture 105 une difference de phase supraconductrice qui, avec la difference de phases supraconductrices aux bornes de la bo^'te de Cooper 100 et avec le flux magnetique S traversant la boucle, verifie ['equation suivante: = + ó/0 2 au signe pres ou ó0 est le quantum de flux magnetique. Au point de fonctionnement F1 (Ng = 0 = 0) pendant le temps de l'impulsion de lecture, la phase subit un deplacement qui engendre un deplacement de la phase 8. La jonction de lecture 105 commute autour de 7= 12. Durant la lecture, le courant doit etre proche du courant critique de la jonction de lecture 105 de fa,con a avoir des taux de transition respectivement proches de 0% et de 100% pour les deux etats du qubit. 1S Le courant de polarisation lb en dehors de la lecture est choisi pour maintenir le circuit au point F choisi tels que les points F., F2, F3 de la Figure 5. Enfin, le choix du flux p couple a la boucle supraconductrice peut etre optimise pour que les courants de boucle i0 et i, associes aux etats > et 11>, reveres par 1'impulsion de lecture, solent les plus differents possibles. Optimisation de la lecture de l'etat du qubit Une optimisation de la lecture de l'etat du qubit selon ['invention est realisee en choisissant le flux magnetique induit au travers de la boucle supraconductrice pour que les courants de boucle i0 et i associes aux etats l o> et | 1>, reveres par l'impulsion de lecture, soient les plus differents possibles. Pour compenser ce flux magnetique et maintenir une phase nulle correspondent au point de fonctionnement Fi, le generateur de courant de lecture delivre en dehors des sequences de lecture, non pas un courant de repos nul, mais un courant de repos de l'ordre de -0,25 IbC, negatif par rapport au sens des impulsions de lecture. La valeur de 17 2839389 crete IbC de ces impulsions reste inchangee. Selon cette optimisation preferentielle, le deplacement en phase au cours de l'impulsion de lecture sera compris entre J2 et. Decouplane du qubit de la ionction de lecture: La boucle de lecture a des modes propres dont la frequence doit etre la plus eloignee possible de la frequence propre de la boucle du qubit proprement dit afin d'eviter la relaxation du qubit vers son etat fondamental 10>. Cette separation entre les frequences propres du qubit et de la jonction de lecture existe deja du fait de la difference importante entre les dimensions et les caracteristiques de la jonction Josephson de lecture , et celles des jonctions Josephson 101, 102 delimitant l'lot. Wile est volontairement augmentee par l'ajout d'un ou plusieurs condensateurs 136 (Figure 7) aux bornes de la jonction Josephson de lecture 105. Maintien de la coherence: Le maintien de la coherence du qubit est obtenu par le respect de trots conditions. a) la oremiere condition vise a supprimer l'effet du bruit en charge vu par l''lot. Contrairement a la bo^'te de Cooper mesuree en charge, il est possible selon ['invention de choisir le rapport entre les parametres energie Josephson Ej et energie de Coulomb Ec de fa,con a pouvoir simultanement: - assurer l'anharmonicite du spectre des energies pour former effectivement un qubit, - rendre la frequence de transition quasicompletement insensible au bruit en charge, - manipuler l'etat du qubit par application de tensions radiofrequence sur la grille 131 de l''lot. 18 2839389 b) la seconde condition vise a limiter la relaxation du qubit, qui contribue a la decoherence, lorsque ce dernier est place dans son etat excite conventionnellement note 11>. En effet, un qubit peut se desexciter en transferant son energie a son environnement immediat, en ['occurrence ici dans 1'ensemble du circuit electrique. Plus precisement, ce transfert s'effectue vers la partie reelle 137 de 1'impedance electrique equivalente 137, 138 telle qu'elle est vue du qubit (Figure 7). Cette impedance, meme minimisee, ne peut etre rigoureusement nulle. Pour que le transfert d'energie soit nul, il faut done imposer comme condition qu'aucun courant ne circule dans la boucle supraconductrice du qubit. Cette condition d'annuler le courant global de la boucle du qubit, resultant de l'etat du qubit ou de la superposition coherente de ses etats, est obtenue en reglant precisement le flux magnetique a une valeur nulle au moyen d'un flux antagoniste applique a la boucle du qubit par un champ B applique soit par un aimant permanent adequat soit par une boucle dinduction parcourue par un courant de commande. Cette condition doit etre verifiee pendant les phases d'ecriture et de maintien, quel que soit l'etat du qubit et done quel que soit le flux a annuler. c) la troisieme condition vise a limiter ['influence des parametres d'environnement sur la decoherence. Si on note par l+(t=O)> I'etat superpose suivant: I(t=o)> = 10> + 11 > Idealement, cet etat evolue librement par dephasage relatif des composantes 10> et 11> a la frequence de transition vO du qubit: I(t)> = 10> + exp(ivO,t) 11 > Si la frequence de transition vO, depend de parametres exterieurs que l'on represente par la variable generique x, tout bruit sur cette variable generique x se traduit par une fluctuation de la frequence de transition vO, 19 2839389 et done par une erreur aleatoire sur le dephasage relatif des composantes > et 11>: C'est le phenomene de decoherence. La decoherence est done minimale quand la frequence de transition vO, est stationnaire vis-a vis de x, c'est-a-dire quand est remplie la condition: dVo / dx = 0 Pour ['invention, les parametres exterieurs dont depend la frequence de transition vO, et qui ont ete symbolises par la variable generique x, vent essentiellement au nombre de deux: la tension continue Vg appliquee au condensateur 103 et le flux magnetique a travers la boucle supraconductrice constituent le qubit proprement cit. Les valeurs de Vg et vent done ajustees de telle sorte que solent remplies simultanement les deux conditions: dVo, / dVg = 0 dVo, / d) =0 ce qui minimise la decoherence, notamment dans le cas d'un etat superpose du qubit. Enfin le qubit objet de ['invention peut etre couple a un ou plusieurs autres qubits possedant aussi un lot. Ceci s'obtient par l'adjonction, entre leurs lots respectifs, d'un dispositif de couplage electromagnetique 170 qui ne modifie pas de fac,on significative la valeur du rapport Ej/Ec effectif de chacun des circuits 201, 202 constituent les qubits (Figure 10). De fac,on preferentielle, ce dispositif de couplage est un condensateur reliant les lots de deux qubits successifs 201, 202. Le fonctionnement d'un exemple de dispositif selon ['invention sera explicite a ['aide du schema de principe de la Figure 4. L''lot de charges est delimite par les isolants des jonctions Josephson 101 et 102. Ces jonctions 101 et 102 ont des caracteristiques tres proches. Wiles vent de tres petites dimensions (environ 0,1,um sur 0,1 um) et conpues pour que le rapport Ej/Ec de chacune soit compris entre 1 et 3. La valeur de ce rapport Ej/Ec pour la jonction effective de la bo'^te a 2839389 padres de Cooper 110, quatre fois plus elevee, est done comprise entre et 4 et 1 2. La boucle supraconductrice se referme par une jonction de lecture de dimensions tres superieures (environ 3 m sur 0,3 m), se S comportant quasiment comme un court-circuit pour le qubit en dehors des etapes de mesure. Ceci en raison de son energie Josephson E environ fois superieure a l'energie Josephson des jonctions 101 et 102. Par ailleurs, le rapport Ej/Ec de cette jonction de lecture 105 est environ 5000 a 10000 fois plus eleve que le rapport Ej/Ec des jonctions 101 et 102. Cette boucle est soumise a un flux magnetique ajustable induit soit par un aimant permanent, soit par une bobine 133 ou un fil electrique parcourus par un courant issu d'une source de courant 135, places a proximite, eventuellement sur le meme substrat que le qubit. Ce flux permet de regler la coordonnee du point de fonctionnement pendant la manipulation du qubit. En particulier, il permet de compenser un courant de repos negatif dans la jonction de lecture 105 en maintenant la phase a la valeur preferentielle. Cette combinaison de flux magnetique a travers la boucle et de courant de repos negatif dans la jonction de mesure 105 permet d'augmenter le pouvoir de discrimination des etats O et 1 lors de la lecture: en effet, I'amplitude de l'impulsion de courant ib servant a la lecture doit alors etre augmentee pour conduire a la commutation de la jonction de lecture. Cette augmentation d'amplitude se traduit par un deplacement de la phase lors de la lecture (voir figure 6) vers des valeurs ou la difference des courants de boucle i1-iO est plus grande que ce qu'elle serait dans le cas d'un flux magnetique et d'un courant de repos nuls. On decrira maintenant en reference a la Figure 7 un mode de realisation particulier du dispositif selon ['invention. Le circuit est realisable avec tout materiau supraconducteur de type S comme par exemple l'aluminium ou le niobium. La realisation 21 2839389 preferentielle a ete effectuee sur un substrat Si/SiO2 par depot sous vice de films conducteurs en aluminium. Les jonctions Josephson 101 et 102 vent realisees par deux rubans d'aluminium deposes suivant un meme axe, mais separes de quelques centaines de nanometres. Ces rubans vent oxydes en Al2O2. Puis un troisieme ruban de falble longueur est depose au niveau de la separation entre les deux premiers rubans de telle sorte que ce ruban recouvre les deux premiers sur deux aires d'environ 0,1pm x 0,1,um chacune, constituent de ce fait les deux jonctions Josephson 101, 102. Ce troisieme ruban constitue [''lot de la bo^'te a padres de Cooper, et done aussi la premiere armature 131 du condensateur 103 de capacite Cg. Parallelement a ce nouveau ruban, un autre ruban est realise, qui constituera la seconde armature du condensateur 103. L'lot de charges ainsi forme est de falbles dimensions. Le reste de la boucle du qubit proprement dit est realise de maniere analogue, mais les dimensions de la jonction Josephson de lecture 105 vent bien plus importantes, environ 1,um2. La temperature de fonctionnement du circuit doit etre largement inferieure a l'energie de transition du qubit divisee par la constante de Boltzmann kB Wile est en pratique de l'ordre de 50 mK, et est obtenue avec un refrigerateur a dilution He3/He4. La Figure 7 correspond a un mode de realisation prefere. La source de tension de polarisation Vg de la bo^'te de Cooper 110 est reliee, a travers le filtre passe-bas 147 puis la resistance 132 assurant I'adaptation d'impedance a une ligne coaxiale de 50 ohms, a la grille de commande 131 de la bo^'te de Cooper 110. De fac,on analogue, la source radio frequence 122 est reliee a travers un attenuateur 141, un condensateur 143 et une resistance d'adaptation d'impedance a une ligne coaxiale de 50 ohms, a la grille de commande 131. 22 2839389 La boucle supraconductrice formee des jonctions Josephson 101, 102 et de la jonction Josephson de lecture 105 est filtree par un condensateur 136 qui permet aussi d'eloigner significativement la frequence de la boucle de lecture de la frequence du qubit. S La resistance 137 et le condensateur 138 modelisent la partie reelle et la partie imaginaire de ['impedance du circuit vue du qubit. Le flux magnetique est ajuste par une source de courant reglable reliee a une bobine d'induction 133 assez large pour envoyer un flux uniforme a travers tout le qubit. La source de courant de lecture 125 est en realite realisee a ['aide d'un source de tension V 155, d'un diviseur resistif 154 divisant par 200 puis d'un filtre passe-bas 152. Les resistances 153 et 156, toutes deux de ohms, servent a la fois a permettre le fonctionnement du diviseur resistif 154 et a adapter la ligne a une impedance de 50 ohms. La resistance 151, de l'ordre de 3 000 ohms, sert a augmenter ['impedance interne de cette source 125. Enfin, la detection du basculement de la jonction Josephson de lecture 105 steffectue a travers la resistance 161 qui augmente ['impedance du circuit situe en aval. Ce circuit comporte un filtre passe teas 162 puis un amplificateur 126 a haute impedance d'entree. La Figure 8 represente dans sa partie superieure le chronogramme du signal d'ecriture u(t) constitue par des salves d'impulsions a la frequence v01 dont la duree depend de l'etat quantique a inscrire puts, dans sa partie inferieure, le chronogramme des impulsions de courant de lecture lb. Enfin, la Figure 9 represente la probabilite Ps de trouver le bit quantique dans l'etat 1 apres une sequence de deux rotations separees par un intervalle de temps variable. 23 2839389 REVENDICATIONS 1. Dispositif de bit quantique supraconducteur a jonction Josephson, caracterise en ce qu'il presente un premier degre de liberte principal affecte a ltecriture et un deuxieme degre de liberte principal affecte a la lecture, et en ce que l'un des premier et deuxieme degree de liberte principaux est lie a une charge tandis que l'autre des premier et deuxieme degree de liberte principaux est lie a une phase. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que le premier degre de liberte principal affecte a l'ecriture est une charge, et en ce que le second degre de liberte principal affecte a la lecture est une phase. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caracterise en ce qu'il comprend: - une bo'^te a padres de Cooper (110) comprenant des premiere et deuxieme jonctions Josephson (101, 102) delimitant un lot de charge de la bo^'te (110) a padres de Cooper et se refermant sur une boucle supraconductrice pour former un qubit, - un circuit d'ecriture comprenant une electrode de grille (131) placee en regard de ladite bo'^te a padres de Cooper et constituent avec elle un condensateur (103) de capacite Cg, I'electrode de grille (131) capacitivement liee a l' lot de charges permettant de placer ce qubit dans l'un ou l'autre des deux etats de base du qubit ou dans une superposition coherente de ces etats, une tension de polarisation (Vg) etant appliquee a ['electrode de grille (131) a partir d'une source de tension ajustable (121), et - un circuit de lecture comprenant une jonction Josephson de lecture JL (105) inseree dans ladite boucle supraconductrice, et d'energie Josephson au moins 50 fois superieure a l'energie Josephson de chacune desdites premiere et deuxieme jonctions Josephson (101, 1 02). 24 2839389 4. Dispositif selon la revendication 3, caracterise en ce que les premiere et deuxieme jonctions Josephson (101, 102) definissant [''lot de charge presentent d'une part des energies Josephson Ej tres proches et S d'autre part une energie de Coulomb Ec approximativement egale a leur energie Josephson Ej. 5. Dispositif selon la revendication 3, caracterise en ce que les jonctions Josephson (101, 102) definissant [''lot de charge presentent un rapport Ej/Ec entre leur energie Josephson E et leur energie de Coulomb Ec qui est compris entre 1 et 3. 6. Dispositif selon la revendication 3, caracterise en ce que la boucle su praconductrice est constru ite de tel le man iere que la frequence de transition vO, du qubit ainsi forme puisse etre ajustee a une valeur stationnaire vis a vis des parametres et perturbations exterieures. 7. Dispositif selon la revendication 3, caracterise en ce qu'il comprend des moyens (133, 135) apses a faire traverser la boucle supraconductrice par un flux magnetique ajustable agissant sur la phase du qubit. 8. Dispositif selon la revendication 3, caracterise en ce que la jonction Josephson de lecture (105) a un rapport E /EC effectif, compte tenu de la capacite ajoutee par le circuit de lecture, assez grand pour que les fluctuations de sa phase induites par le circuit exterieur soient inferieures a 0,01 red. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 a 8, caracterise en ce qu'il comprend un circuit de lecture, independent du circuit d'ecriture, galvaniquement connecte a la cite boucle supraconductrice du qubit, et comportant, outre la jonction Josephson de lecture (105), d'une part des moyens (125) pour appliquer pendant la phase de lecture une impulsion de courant lb de duree et d'amplitude parametrables, et d'autre part des moyens de detection (161, 162, 126) des sauts de phase de 2 aux bornes de la jonction Josephson de lecture 2839389 (105) qui apparaissent, suite a l'impulsion de lecture, pour l'un des deux etats exclusivement. 10. Dispositif selon la revendication 7, caracterise en ce qu'il est preregle, par ses parametres Ng de charge de polarisation, et de S difference de phases supraconductrices liee au flux magnetique i traversant la boucle supraconductrice et au courant de lecture lb, en un point de fonctionnement Fi ou la frequence de transition v01 du qubit est stationnaire vis a vis des deux parametres de reglage Ng et 6. 11: Dispositif selon la revendication 10, caracterise en ce que son point de fonctionnement Fi est le point F1 constituent un point col du g raphe t rid imension nel representant la frequence propre vO d u q u bit en fonction de Ng et 3. 12. Dispositif selon la revendication 9 et l'une quelconque des revendications 10 et 11, caracterise en ce que en dehors des sequences de lecture produisant des impulsions de lecture ayant une valeur de crete IbC, les moyens d'application d'une impulsion de courant delivrent un courant de repos de lordre de -0,251bC, negatif par rapport au sens des impulsions de lecture, permettant d'obtenir, lorsqu'une impulsion de lecture arrive, un deplacement de la difference de phase supraconductrice