fluxonium

Un fluxonium est une boucle supraconductrice interrompue par une jonction Josephson et shuntée par un inducteur, conçue pour confiner et contrôler le flux magnétique avec une précision extrême. Il fonctionne comme un atome synthétique dont les niveaux d'énergie dépendent du flux traversant la boucle, ce qui le rend utile pour le traitement de l'information quantique et la métrologie. Le circuit combine trois éléments clés : la non-linéarité de la jonction, l'inductance du shunt et la symétrie géométrique de la boucle elle-même.

Le dispositif est apparu dans les années 2000 comme une alternative aux qubits transmon plus simples lorsque les chercheurs ont eu besoin d'une protection plus forte contre le bruit de charge. Là où un transmon ne repose que sur la non-linéarité de la jonction Josephson, un fluxonium ajoute un élément inductif qui crée un paysage d'énergie potentielle avec un minimum profond et plat. Ce paysage maintient l'état quantique stable même lorsque les champs électriques parasites fluctuent, une propriété appelée insensibilité à la charge. L'inducteur est généralement une bobine supraconductrice ou un fil d'aluminium granulaire enroulé pour produire de 0,5 à 10 nanohenrys d'inductance.

Les circuits fluxonium pratiques fonctionnent dans des réfrigérateurs à dilution à des températures inférieures à 50 millikelvins, où le supraconducteur reste exempt de résistance. La jonction Josephson est généralement une barrière tunnel aluminium-oxyde-aluminium nanofabriquée avec un courant critique de l'ordre du microampère. La lecture se fait par couplage dispersif à une cavité micro-ondes résonante; la fréquence de la cavité se décale lorsque le fluxonium est dans différents états quantiques. Des temps de cohérence de 10 à 100 microsecondes sont typiques, selon les matériaux et la qualité de fabrication.

Variantes et compromis

Plusieurs variantes de conception existent. Un fluxonium lourd utilise un inducteur encore plus grand pour maximiser l'insensibilité à la charge mais sacrifie la vitesse; un fluxonium asymétrique remplace la jonction Josephson par un réseau pour ajuster la non-linéarité indépendamment de l'inductance. Ceux-ci échangent la cohérence, la syntonisation et la fidélité de contrôle les uns contre les autres. Le nom lui-même reflète la fonction principale du circuit: il quantifie et piège les quanta de flux, les unités discrètes de flux magnétique dans les supraconducteurs.

Le fluxonium se situe entre le transmon (plus rapide, plus bruyant) et le qubit de flux (lent, plus cohérent) dans le spectre de conception des qubits supraconducteurs. Il a été adopté dans les universités et les laboratoires de matériel quantique, bien que les ordinateurs quantiques industriels aient jusqu'à présent privilégié les conceptions basées sur le transmon à grande échelle parce que les transmons sont plus simples à fabriquer à haute densité. Néanmoins, pour les applications spécialisées en détection quantique et les processeurs quantiques à petite échelle où l'immunité au bruit est primordiale, le fluxonium reste un choix sérieux.