{"id":19615,"date":"2022-02-02T09:06:12","date_gmt":"2022-02-02T08:06:12","guid":{"rendered":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/?p=19615"},"modified":"2022-02-08T15:37:08","modified_gmt":"2022-02-08T14:37:08","slug":"decode-quantum-avec-daniel-esteve-du-cea","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/2022\/decode-quantum-avec-daniel-esteve-du-cea\/","title":{"rendered":"Decode Quantum avec Daniel Esteve du CEA"},"content":{"rendered":"<p>Pour ce 38e \u00e9pisode des entretiens <strong>Decode Quantum<\/strong> et le premier enregistr\u00e9 en 2022, <strong>Fanny Bouton<\/strong> et moi-m\u00eame recevions <strong>Daniel Esteve<\/strong>, du CEA. Ces entretiens sont toujours \u00e9galement diffus\u00e9s par <a href=\"https:\/\/www.frenchweb.fr\/decode-quantum-a-la-rencontre-de-daniel-esteve-pionnier-des-qubits-supraconducteurs\/432049\">Frenchweb<\/a>.<\/p>\n<p>Il est physicien et Directeur de recherche au CEA. Il \u00e9tait responsable du groupe Quantronique au CEA de Saclay qu\u2019il a cr\u00e9\u00e9 en 1984 avec <strong>Michel Devoret<\/strong> (<a href=\"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/2021\/michel-devoret-histoire-qubits-supraconducteurs\/\">Decode Quantum 23<\/a>) et <strong>Cristian Urbina<\/strong>. Ce groupe travaille sur la conception et l&#8217;utilisation de circuits \u00e9lectriques avec effets quantiques dans le vaste champ de la mati\u00e8re condens\u00e9e et de la physique m\u00e9soscopique, qui porte sur l&#8217;\u00e9tude de la mati\u00e8re \u00e0 des \u00e9chelles allant de l&#8217;atome au microm\u00e8tre. En langage courant, Daniel est un pionnier des qubits supraconducteurs dont nous raconte un bout de leur longue histoire.<\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/2022\/decode-quantum-avec-daniel-esteve-du-cea\/daniel-esteve-physicien-quantique-gif-sur-yvette-le-1-fevrier-2016\/\" rel=\"attachment wp-att-19628\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"wp-image-19628\" title=\"Portrait de Daniel Esteve, cr\u00e9dit : Acad\u00e9mie des sciences\" src=\"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Daniel-Esteve-scaled.jpg\" width=\"371\" height=\"247\" srcset=\"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Daniel-Esteve-scaled.jpg 2560w, https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Daniel-Esteve-300x200.jpg 300w, https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Daniel-Esteve-1024x681.jpg 1024w, https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Daniel-Esteve-768x511.jpg 768w, https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Daniel-Esteve-1536x1022.jpg 1536w, https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Daniel-Esteve-2048x1363.jpg 2048w\" sizes=\"auto, (max-width: 371px) 100vw, 371px\" \/><\/a><\/p>\n<p>Cette histoire est typique de ce qui peut se passer dans la recherche fondamentale, avec des d\u00e9buts qui n&#8217;ont rien \u00e0 voir avec la suite, et r\u00e9ciproquement. Les recherches en physique m\u00e9soscopique des ann\u00e9es 1980 ont progressivement men\u00e9 \u00e0 la cr\u00e9ation de capteurs supraconducteurs et de qubits mais c&#8217;est venu progressivement. C&#8217;est aussi le fruit d&#8217;un travail international impliquant de nombreuses \u00e9quipes de recherche, en France, aux USA, en Suisse et au Japon, pour ne citer que les principaux pays impliqu\u00e9s. Les Google et IBM qui ont ensuite massivement investi dans les qubits supraconducteurs se sont appuy\u00e9s sur des d\u00e9cennies de recherche fondamentale amont. Et comme le pr\u00e9cise bien Daniel, ce qu&#8217;ils font aujourd&#8217;hui rel\u00e8ve encore pour une bonne part de la recherche fondamentale.<\/p>\n<p>D&#8217;ailleurs, on retrouve dans l&#8217;histoire un certain <strong>John Martinis<\/strong>, qui a \u00e9t\u00e9 un temps post-doc de Daniel Esteve au CEA de Saclay, bien longtemps avant de superviser la recherche en calcul quantique de Google c\u00f4t\u00e9 hardware entre 2014 et 2020. Sans compter <strong>Michel Devoret<\/strong>, qui joue un r\u00f4le cl\u00e9 dans la recherche sur les qubits supraconducteurs \u00e0 l&#8217;Universit\u00e9 de Yale et qui avait notamment accueilli <strong>Mazyar Mirrahimi<\/strong> d&#8217;Inria au d\u00e9but des ann\u00e9es 2010, ce dernier \u00e9tant le pionnier des &#8220;qubits de chat&#8221; exploit\u00e9s par la startup fran\u00e7aise <strong>Alice&amp;Bob<\/strong>.<\/p>\n<p><iframe loading=\"lazy\" src=\"https:\/\/widget.spreaker.com\/player?episode_id=48554975&amp;theme=light&amp;playlist=false\" width=\"100%\" height=\"200px\" frameborder=\"0\"><\/iframe><\/p>\n<p>Voici un synopsis des points \u00e9voqu\u00e9s avec Daniel Esteve dans cet entretien :<\/p>\n<ul>\n<li>C\u00f4t\u00e9 \u00e9tudes, Daniel Esteve est pass\u00e9 par l\u2019ENS Saint-Cloud, est ensuite devenu agr\u00e9g\u00e9 de sciences physiques puis et docteur \u00e8s sciences.<\/li>\n<li>Il a r\u00e9alis\u00e9 sa th\u00e8se dans le laboratoire d&#8217;<strong>Anatole Abragam<\/strong> au CEA. Elle qui portait sur la mise en \u00e9vidence de phases de type verre orientationnel dans des solides mol\u00e9culaires avec des m\u00e9thodes RMN originales. Cela fait partie du champ de la r\u00e9sonance magn\u00e9tique nucl\u00e9aire (RMN) et des verres de spins. Il \u00e9voque les premiers processeurs quantiques r\u00e9alis\u00e9s avec le contr\u00f4le de spin de mol\u00e9cules. Il \u00e9voque le post-doc qu&#8217;avait fait Michel Devoret \u00e0 Berkeley chez <strong>John Clarke<\/strong>, un physicien britannique notamment connu pour sa contribution dans la cr\u00e9ation de capteurs supraconducteurs de type SQUID.<\/li>\n<li>Puis nous parlons d&#8217;<strong>Anthony Leggett<\/strong> et de son intuition. Il se demandait si la physique quantique s\u2019appliquait \u00e0 des syst\u00e8mes macroscopiques, ici, de multiples paires d&#8217;\u00e9lectrons dites de Cooper, qui se forment dans des mat\u00e9riaux supraconducteurs \u00e0 tr\u00e8s basse temp\u00e9rature. Et d&#8217;<strong>Anton Zeilinger<\/strong> \u00e0 Vienne puis de la cr\u00e9ation de la cQED (circuit Quantum Electro Dynamics) par <strong>Andreas Wallraff<\/strong> et <strong>Rob Schoelkopf<\/strong>.<\/li>\n<li>Il raconte l\u2019histoire du groupe Quantronique et, indirectement, celle des qubits supraconducteurs, qui commence par une recherche amont tr\u00e8s fondamentale sur la physique m\u00e9soscopique, la mati\u00e8re condens\u00e9e, les atomes artificiels. Il \u00e9voque l&#8217;exp\u00e9rience de la fin des ann\u00e9es 1980 qui avait permis d&#8217;observer l\u2019effet de la dissipation sur l\u2019effet tunnel quantique macroscopique dans les jonctions Josephson.<\/li>\n<li>C&#8217;est la p\u00e9riode de la physique des petites jonctions, initialis\u00e9e par le Russe <strong>Konstantin Likharev<\/strong> (voir <a href=\"https:\/\/link.springer.com\/article\/10.1007\/BF00683782\">Theory of the Bloch-wave oscillations in small Josephson junctions<\/a> par D.V. Averin, A.B. Zorin et K.K. Likharev, 1985) puis avec l&#8217;exp\u00e9rience de <strong>Theodore Fulton<\/strong> et <strong>Gerard Dolan<\/strong> sur le transistor \u00e0 un \u00e9lectron et l&#8217;utilisation de deux jonctions tunnel en s\u00e9rie (voir <a href=\"https:\/\/journals.aps.org\/prl\/abstract\/10.1103\/PhysRevLett.59.109\">Observation of single-electron charging effects in small tunnel junctions<\/a> par T. A. Fulton and G. J. Dolan, 1987). Daniel nous parle aussi les \u00e9cluses et pompes \u00e0 \u00e9lectrons et de la th\u00e8se de <strong>Hughes Pothier<\/strong> (&#8220;Blocage de coulomb et transfert d&#8217;\u00e9lectrons un par un&#8221;, 1991).<\/li>\n<li>Il \u00e9voque aussi le r\u00f4le de <strong>John Martinis\u00a0<\/strong>post-doc pour les exp\u00e9riences d\u2019effet Josephson alternatif qui ont prouv\u00e9 l\u2019appariement \u00e9lectronique dans les supraconducteurs \u00e0 haute temp\u00e9rature critique, entre 1985 et 1987, en m\u00eame temps que la mesure par <strong>Jaw-Shen Tsai<\/strong> du quantum de flux dans ces mat\u00e9riaux.<\/li>\n<li>On couvre alors le blocage de Coulomb, une \u00eele connect\u00e9e en r\u00e9servoir \u00e0 une jonction Josephson et une capacit\u00e9. C&#8217;est une bo\u00eete \u00e0 \u00e9lectrons qui exploite un transistor \u00e0 un \u00e9lectron pour la mesure. Cette prouesse est cit\u00e9e par <strong>Steve Girvin<\/strong> de Yale dans <a href=\"https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=xjlGL4Mvq7A\">une vid\u00e9o<\/a> d&#8217;ao\u00fbt 2021. Cela aboutit \u00e0 la th\u00e8se de <strong>Vincent Bouchiat<\/strong> en 1997 (voir <a href=\"https:\/\/www.theses.fr\/1997PA066241\">Fluctuations quantiques de la charge dans les circuits a un electron et a une paire de Cooper)<\/a>.<\/li>\n<li>Puis le r\u00f4le de <strong>Yasunobu Nakamura<\/strong> de NEC et de la premi\u00e8re exp\u00e9rience de 1999 (avec <strong>Yuri Pashkin<\/strong> and <strong>Jaw-Shen Tsai<\/strong>) de manipulation de l\u2019\u00e9tat quantique d\u2019une bo\u00eete \u00e0 paires de Cooper \u00a0avec une irradiation de micro-ondes. Cette exp\u00e9rience montre les oscillations de Rabi entre deux \u00e9tats quantiques. C\u2019est \u00a0une preuve de la superposition quantique cherch\u00e9e depuis longtemps pour un \u00a0syst\u00e8me non microscopique. La notion d&#8217;oscillations de Rabi qui correspond \u00e0 deux \u00e9tats quantiques en couplage alternatif.<\/li>\n<li>A l&#8217;\u00e9poque, le temps de vie du qubit \u00e9tait court, de quelques ns. C&#8217;\u00e9tait un circuit quantique tr\u00e8s simple avec une superposition entre \u00e9tats de charge.<\/li>\n<li>Le besoin de lire l\u2019\u00e9tat quantique a amen\u00e9 au quantronium qui assurait une meilleure protection contre la d\u00e9coh\u00e9rence. Et avec une mesure de l\u2019\u00e9tat quantique de la jonction Josephson en un coup avec une bonne fid\u00e9lit\u00e9. L&#8217;exp\u00e9rience du CEA a \u00e9t\u00e9 propos\u00e9e en 2001 et publi\u00e9e en 2002.<\/li>\n<li>Ils ont ensuite essay\u00e9 de cr\u00e9er un circuit \u00e0 2 qubits. Cela n\u2019a pas bien march\u00e9. Il \u00e9tait difficile de lire l\u2019\u00e9tat quantique.<\/li>\n<\/ul>\n<p><a href=\"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/2022\/decode-quantum-avec-daniel-esteve-du-cea\/qubit-supraconducteur-cea-5\/\" rel=\"attachment wp-att-19620\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignnone wp-image-19620\" src=\"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Qubit-supraconducteur-CEA-5.jpg\" alt=\"\" width=\"379\" height=\"253\" srcset=\"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Qubit-supraconducteur-CEA-5.jpg 2000w, https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Qubit-supraconducteur-CEA-5-300x200.jpg 300w, https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Qubit-supraconducteur-CEA-5-1024x682.jpg 1024w, https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Qubit-supraconducteur-CEA-5-768x512.jpg 768w, https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Qubit-supraconducteur-CEA-5-1536x1024.jpg 1536w\" sizes=\"auto, (max-width: 379px) 100vw, 379px\" \/><\/a><\/p>\n<ul>\n<li>Une nouvelle version de bo\u00eete \u00e0 paires de Cooper \u00a0plus performante a \u00e9t\u00e9 d\u00e9velopp\u00e9e \u00a0\u00e0 Yale en 2004 par\u00a0<strong>Rob Schoelkof<\/strong> et\u00a0son postdoctorant\u00a0<strong>Andreas Wallraff<\/strong>\u00a0(maintenant \u00e0 l\u2019ETH Zurich). L\u2019id\u00e9e consistait \u00e0 coupler une bo\u00eete \u00e0 paires de Cooper \u00e0 un r\u00e9sonateur micro-ondes en forme de trombone \u00e0 coulisse (exemple <em>ci-dessous<\/em>), une technique inspir\u00e9e de l\u2019\u00e9lectrodynamique des atomes en cavit\u00e9 \u00e9tudi\u00e9s par Serge Haroche.<\/li>\n<\/ul>\n<p><a href=\"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/2022\/decode-quantum-avec-daniel-esteve-du-cea\/superconducting-qubit\/\" rel=\"attachment wp-att-19621\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignnone wp-image-19621\" src=\"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Superconducting-qubit.jpg\" alt=\"\" width=\"256\" height=\"249\" srcset=\"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Superconducting-qubit.jpg 790w, https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Superconducting-qubit-300x292.jpg 300w, https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/wp-content\/Superconducting-qubit-768x748.jpg 768w\" sizes=\"auto, (max-width: 256px) 100vw, 256px\" \/><\/a><\/p>\n<ul>\n<li>\u00a0Cela a abouti \u00e0 la version la plus courante des qubits supraconducteurs, le transmon entre 2006 et 2007. Les paires de Cooper sont plac\u00e9es dans un r\u00e9gime proche de l\u2019\u00e9tat de phase, proche d\u2019un oscillateur harmonique. La premi\u00e8re lecture d\u2019un transmon \u00e0 haute-fid\u00e9lit\u00e9 a \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9e en 2009. La Quantronique r\u00e9alise en 2011 un premier processeur quantique \u00e0 deux qubits compl\u00e8tement fonctionnel.\u00a0 Ce processeur permet d\u2019ex\u00e9cuter l\u2019algorithme de recherche quantique de Grover (th\u00e8se de Andreas Dewes), et d\u2019obtenir une preuve de principe de l\u2019avantage quantique. Un processeur de 4 qubits est ensuite r\u00e9alis\u00e9 en 2015. Voir <a href=\"https:\/\/tel.archives-ouvertes.fr\/tel-01214394\/document\">Design, fabrication and test of a four superconducting quantum-bit processor<\/a> par Vivien Schmitt, 2015 (192 pages) mais la Quantronique abandonne cette voie pour \u00a0la mont\u00e9e en \u00e9chelle.<\/li>\n<li>Cette voie est notamment poursuivie chez\u00a0 IBM, Google et Rigetti. En parall\u00e8le \u00e9taient d\u00e9velopp\u00e9s de codes de correction d&#8217;erreurs mais n\u00e9cessitant une fid\u00e9lit\u00e9 des qubits sup\u00e9rieure \u00e0 99%, ce qui n&#8217;est pas facile \u00e0 obtenir \u00e0 grande \u00e9chelle.<\/li>\n<li>On parle de la voie \u00a0alternative consistant \u00e0 r\u00e9aliser des qubits plus coh\u00e9rents ou d\u00e9j\u00e0 corrig\u00e9s pour rendre la correction d\u2019erreur quantique moins difficile.<\/li>\n<li>On parle aussi de qubits supraconducteurs au tantale qui ont moins de d\u00e9coh\u00e9rence et tiennent entre 500\u00a0\u03bcs et 1 ms (vs les moins de 100 \u03bcs actuels). Des \u00e9quipes chinoises ainsi que <strong>Jay Gambetta<\/strong> chez IBM travaillent dessus.<\/li>\n<li>Nous \u00e9voquons aussi les m\u00e9moires de spin utilisables dans des r\u00e9p\u00e9teurs et leur usage pour exploiter des processeurs avec moins de qubits.<\/li>\n<li>La fabrication des qubits supraconducteurs dans une nouvelle salle blanche \u00e0 l\u2019usage de toute la communaut\u00e9 des circuits quantiques supraconducteurs, financ\u00e9e par le plan quantique national, et qui sera install\u00e9e au \u00a0CEA \u00e0 l\u2019Orme \u00a0des Merisiers.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Bient\u00f4t, je vais pouvoir utiliser toutes ces informations pour reconstituer une timeline compl\u00e8te de l&#8217;histoire des qubits supraconducteurs ! Pour l&#8217;\u00e9dition 2022 de mon bouquin &#8216;Understanding quantum technologies&#8217; ! Cela pourrait prendre la forme d&#8217;une sorte de &#8220;FBI wall&#8221; du domaine. Et ses ramifications sont tr\u00e8s nombreuses !<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Pour ce 38e \u00e9pisode des entretiens Decode Quantum et le premier enregistr\u00e9 en 2022, Fanny Bouton et moi-m\u00eame recevions Daniel Esteve, du CEA. Ces entretiens sont toujours \u00e9galement diffus\u00e9s par Frenchweb. Il est physicien et Directeur de recherche au CEA. 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