Adrian Lupascu Faculty, Institute for Quantum Computing Professor, Department of Physics and Astronomy, University of Waterloo
The awarded proposal seeks to understand and mitigate the loss of quantum information
The Quantum Horizons: Quantum Information Science (QIS) Research and Innovation for Nuclear Science award from the U.S. Department of Energy's Office of Nuclear Physics has enabled a new collaboration between researchers who develop technologies for nuclear physics, quantum information science and high-energy physics.
Adrian Lupascu, a member of the Institute for Quantum Computing and the Department of Physics and Astronomy at the University of Waterloo, is a co-principal investigator (PI) alongside Anne-Marie Valente-Feliciano, an accelerator physicist at the U.S. Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Mustafa Bal, an associate scientist at the U.S. Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory-hosted Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center, is the lead PI who will coordinate the project "QIS and nuclear physics technologies for next generation materials and architectures for high coherence superconducting qubits" funded by the award.
This awarded proposal seeks to understand and mitigate the loss of quantum information in quantum systems by a phenomenon called decoherence. The decoherence of qubits — devices that harness fragile quantum information — needs to be tackled to unlock the power of quantum computers fully.
"One of our team's main areas of interest is understanding how well quantum information is preserved in devices. For this process, the quality of materials is essential," Lupascu said. "The film expertise at Jefferson Lab and the collaboration with SQMS will provide an opportunity to explore new physics and advance quantum devices."
Building on Waterloo's experience in designing and measuring different kinds of qubits and the SQMS Center's breadth of expertise and facilities, this award adds Jefferson Lab's capabilities in producing highly pure niobium films.
Cavities made of niobium can accelerate particles to near the speed of light and are the best in the world, but there is room to maintain high performance while reducing costs by depositing a thin film of niobium on a copper cavity.
"We are developing advanced techniques to produce high-quality, niobium-film-based accelerating cavities. We think these films will also improve the lifetime of quantum information in qubits," Valente-Feliciano said. "Most niobium films have impurities and are atomically disordered, which might contribute to the loss of quantum information in qubits. Our research at Jefferson Lab is producing atomically ordered, highly pure films with the best properties and performance."
Lupascu will explore new designs for quantum computing devices made with these films and study the devices' performance at ultra-cold temperatures. This effort will seek ways to produce these devices while maintaining high performance and reproducibility across a range of devices, which is important for the scalability of quantum computers.
"Our SQMS Center is uniquely positioned to make advancements in the performance of superconducting qubits. We will accelerate towards this goal by exploring new promising and unique pathways," Bal said. "Through the Quantum Horizon award, we will use the films made by Jefferson Lab to explore material purity as a potential path to improve qubit performance. The experts at the University of Waterloo will expand our capabilities to make other types of qubits."
The collaboration for this Quantum Horizons award brings together dozens of experts in Quantum Information Science, material science and more to tackle decoherence with the most advanced material analysis tools and qubit foundries.
This article was originally published by Waterloo News.
Adrian Lupascu, professeur, Institut d’informatique quantique et Département de physique et astronomie, Université de Waterloo
Une subvention Quantum Horizons pour l’Université de Waterloo
La proposition subventionnée vise à comprendre et à atténuer les pertes d’information quantique
La subvention Quantum Horizons, une subvention de recherche et d’innovation en sciences de l’information quantique pour le nucléaire du bureau de physique nucléaire du département de l’Énergie des États-Unis, a permis une nouvelle collaboration de recherche technologique dans les domaines de la physique nucléaire, de l’information quantique et de la physique des hautes énergies.
Adrian Lupascu, membre de l’Institut d’informatique quantique et du Département de physique et astronomie de l’Université de Waterloo, en sera cochercheur principal avec Anne-Marie Valente-Feliciano, physicienne des accélérateurs à la Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département de l’Énergie. Mustafa Bal, scientifique associé au Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center du Fermi National Accelerator Laboratory, sous le même département, sera chercheur principal responsable du projet financé par la subvention, lequel vise le développement de technologies de l’information quantique et de la physique nucléaire tels des matériaux et architectures de prochaine génération facilitant la conception de bits quantiques (qubits) supraconducteurs à haute cohérence.
La proposition subventionnée vise à comprendre et à atténuer les pertes d’information quantique dans les systèmes quantiques causée par le phénomène de la décohérence. La décohérence des qubits (appareils qui reçoivent des informations quantiques fragiles) fait actuellement obstacle à la réalisation du plein potentiel des ordinateurs quantiques.
« L’un des principaux objectifs de notre équipe est de mesurer la rétention d’information quantique des appareils. Ce travail dépend de la qualité des matériaux, explique Adrian Lupascu. Grâce à l’expérience du laboratoire Jefferson en matière de revêtements et à la collaboration du SQMS, nous explorerons de nouvelles avenues de la physique pour améliorer les appareils quantiques. »
Ce projet combine les capacités de production de revêtements en niobium très pur du laboratoire Jefferson à l’expérience de l’Université de Waterloo en conception et en mesure de qubits divers, ainsi qu’à l’expertise et aux installations imposantes du SQMS Center.
Les cavités en niobium sont les plus efficaces au monde : les particules qui les traversent atteignent presque la vitesse de la lumière. Serait-il possible de reproduire ces résultats à coût moindre, en recouvrant des cavités en cuivre d’un fin revêtement en niobium?
« Les techniques avancées que nous développons visent à produire des cavités accélératrices de grande qualité à l’aide de revêtements en niobium, qui devraient aussi allonger la durée de vie de l’information quantique dans les qubits, précise Valente-Feliciano. La plupart des revêtements en niobium présentent des impuretés et des désordres atomiques, ce qui peut contribuer à la perte d’information quantique dans les qubits. Le laboratoire Jefferson élimine ces défauts pour produire des revêtements aux propriétés et à la performance optimales. »
Adrian Lupascu mettra à l’essai de nouveaux modèles d’appareils quantiques utilisant ces revêtements et en étudiera la performance à des températures très basses. L’objectif est ici de reproduire la grande efficacité de ces appareils sur toutes sortes de technologies, une étape essentielle au déploiement à grande échelle des ordinateurs quantiques.
« Le SQMS Center est bien placé pour réaliser des percées dans la performance des qubits supraconducteurs. Nous nous rapprocherons de cet objectif en explorant de nouvelles avenues prometteuses et inédites, affirme Mustapha Bal. Grâce à la subvention Quantum Horizons, nous pourrons utiliser les revêtements du laboratoire Jefferson pour étudier la pureté des matériaux comme facteur de performance des qubits. Les experts de l’Université de Waterloo, eux, nous aideront à diversifier les types de qubits que nous produisons. »
Cette collaboration met en commun les forces de dizaines d’experts de domaines variés, dont l’information quantique et la science des matériaux, pour résoudre le problème de la décohérence à l’aide d’outils d’analyse des matériaux et de fonderies de qubits à la fine pointe de la technologie.
Article initialement publié en anglais par Waterloo News.