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Des expériences montrent que les ordinateurs quantiques peuvent être meilleurs que la somme de leurs parties

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Qubits atomiques à puce ionique piégée

Une puce contenant un piège à ions que les chercheurs utilisent pour capturer et contrôler les qubits d'ions atomiques (bits quantiques). Crédit : Kai Hudek/JQI

Les expériences d'ordinateur quantique à l'UMD montrent que la combinaison de pièces d'ordinateur quantique ne signifie pas nécessairement la combinaison de leurs taux d'erreur.

Pobody est nerveux, pas même les bits indifférents et calculateurs qui sont à la base des ordinateurs. Mais le groupe du boursier JQI Christopher Monroe, ainsi que des collègues de l'Université Duke, ont fait des progrès pour garantir que nous pouvons faire confiance aux résultats des ordinateurs quantiques même lorsqu'ils sont construits à partir de pièces qui échouent parfois. Ils ont montré dans une expérience, pour la première fois, qu'une assemblée de l'informatique quantique les pièces peuvent être meilleures que les pires pièces utilisées pour le fabriquer. Dans un article publié dans la revue Nature aujourd'hui (4 octobre 2021), l'équipe a expliqué comment elle a franchi cette étape décisive vers des ordinateurs quantiques fiables et pratiques.

Dans leur expérience, les chercheurs ont combiné plusieurs qubits - la version quantique des bits - de sorte qu'ils fonctionnent ensemble comme une seule unité appelée qubit logique. Ils ont créé le qubit logique basé sur un code de correction d'erreur quantique afin que, contrairement aux qubits physiques individuels, les erreurs puissent être facilement détectées et corrigées, et ils l'ont rendu tolérant aux pannes, capable de contenir les erreurs pour minimiser leurs effets négatifs.

«Les qubits composés d'ions atomiques identiques sont nativement très propres par eux-mêmes», explique Monroe, qui est également membre du Joint Center for Quantum Information and Computer Science et professeur de College Park au département de physique de l'Université du Maryland. "Cependant, à un moment donné, lorsque de nombreux qubits et opérations sont nécessaires, les erreurs doivent être réduites davantage, et il est plus simple d'ajouter plus de qubits et de coder les informations différemment. La beauté des codes de correction d'erreur pour les ions atomiques est qu'ils peuvent être très efficaces et peuvent être activés de manière flexible via des commandes logicielles.

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La boîte qui contient l'ordinateur quantique à piège à ions dans le laboratoire de Christopher Monroe. Crédit:
Marko Cetina/JQI

C'est la première fois qu'un qubit logique s'avère plus fiable que l'étape la plus sujette aux erreurs requise pour le réaliser. L'équipe a réussi à mettre le qubit logique dans son état de départ et à le mesurer 99.4 % du temps, malgré le fait qu'elle s'est appuyée sur six opérations quantiques qui ne devraient fonctionner individuellement qu'environ 98.9 % du temps.

Cela peut ne pas sembler être une grande différence, mais c'est une étape cruciale dans la quête pour construire des ordinateurs quantiques beaucoup plus gros. Si les six opérations quantiques étaient des ouvriers de la chaîne de montage, chacun concentré sur une tâche, la chaîne de montage ne produirait l'état initial correct que 93.6% du temps (98.9% multiplié par elle-même six fois) - environ dix fois pire que l'erreur mesurée dans l'expérience. Cette amélioration est due au fait que dans l'expérience, les pièces imparfaites travaillent ensemble pour minimiser le risque d'erreurs quantiques aggravant et ruinant le résultat, de la même manière que des travailleurs vigilants attrapent les erreurs les uns des autres.

Les résultats ont été obtenus en utilisant le système de piège à ions de Monroe à l'UMD, qui utilise jusqu'à 32 atomes chargés individuels (ions) qui sont refroidis avec des lasers et suspendus sur des électrodes sur une puce. Ils utilisent ensuite chaque ion comme qubit en le manipulant avec des lasers.

«Nous avons 32 faisceaux laser», explique Monroe. « Et les atomes sont comme des canards alignés ; chacun avec son propre faisceau laser entièrement contrôlable. J'y pense comme les atomes forment une corde linéaire et nous la pinçons comme une corde de guitare. Nous le cueillons avec des lasers que nous activons et désactivons de manière programmable. Et c'est l'ordinateur ; c'est notre unité centrale de traitement.

En créant avec succès un qubit logique tolérant aux pannes avec ce système, les chercheurs ont montré que des conceptions prudentes et créatives ont le potentiel de libérer l'informatique quantique de la contrainte des erreurs inévitables de l'état actuel de l'art. Les qubits logiques tolérants aux pannes sont un moyen de contourner les erreurs des qubits modernes et pourraient constituer la base d'ordinateurs quantiques à la fois fiables et suffisamment volumineux pour des utilisations pratiques.

Corriger les erreurs et tolérer les défauts

Il est important de développer des qubits tolérants aux pannes capables de corriger les erreurs, car la loi de Murphy est implacable : quelle que soit la qualité de la construction d'une machine, quelque chose finit par mal tourner. Dans un ordinateur, n'importe quel bit ou qubit a une chance d'échouer occasionnellement à son travail. Et les nombreux qubits impliqués dans un ordinateur quantique pratique signifient qu'il existe de nombreuses possibilités d'erreurs.

Heureusement, les ingénieurs peuvent concevoir un ordinateur de manière à ce que ses éléments fonctionnent ensemble pour détecter les erreurs, comme conserver les informations importantes sur un disque dur supplémentaire ou demander à une deuxième personne de lire votre e-mail important pour détecter les fautes de frappe avant de l'envoyer. Les gens ou les lecteurs doivent tout gâcher pour qu'une erreur survive. Bien qu'il faille plus de travail pour terminer la tâche, la redondance contribue à garantir la qualité finale.

Certaines technologies répandues, comme les téléphones portables et les modems haute vitesse, utilisent actuellement la correction d'erreurs pour garantir la qualité des transmissions et éviter d'autres inconvénients. La correction d'erreurs à l'aide d'une simple redondance peut réduire le risque d'erreur non détectée tant que votre procédure n'est pas erronée plus souvent qu'elle ne l'est. un sur cent à moins d'un sur mille.

Ainsi, même si la perfection n'est peut-être jamais à portée de main, la correction d'erreurs peut rendre les performances d'un ordinateur aussi bonnes que requises, tant que vous pouvez vous permettre le prix d'utiliser des ressources supplémentaires. Les chercheurs prévoient d'utiliser la correction d'erreur quantique pour compléter de la même manière leurs efforts pour créer de meilleurs qubits et leur permettre de construire des ordinateurs quantiques sans avoir à surmonter toutes les erreurs dont souffrent les appareils quantiques.

"Ce qui est incroyable avec la tolérance aux pannes, c'est que c'est une recette pour prendre de petites pièces peu fiables et les transformer en un appareil très fiable", explique Kenneth Brown, professeur d'ingénierie électrique et informatique à Duke et co-auteur de l'article. "Et la correction d'erreur quantique tolérante aux pannes nous permettra de fabriquer des ordinateurs quantiques très fiables à partir de pièces quantiques défectueuses."

Mais la correction d'erreur quantique présente des défis uniques : les qubits sont plus complexes que les bits traditionnels et peuvent mal tourner de plusieurs manières. Vous ne pouvez pas simplement copier un qubit, ou même simplement vérifier sa valeur au milieu d'un calcul. La raison pour laquelle les qubits sont avantageux est qu'ils peuvent exister dans une superposition quantique d'états multiples et peuvent s'entremêler mécaniquement quantiquement. Pour copier un qubit, vous devez savoir exactement quelles informations il stocke actuellement - en termes physiques, vous devez le mesurer. Et une mesure le met dans un seul état quantique bien défini, détruisant toute superposition ou enchevêtrement sur lequel le calcul quantique est construit. 

Donc, pour la correction d'erreur quantique, vous devez corriger les erreurs dans les bits que vous n'êtes pas autorisé à copier ou même à regarder de trop près. C'est comme relire les yeux bandés. Au milieu des années 1990, les chercheurs ont commencé à proposer des moyens de le faire en utilisant les subtilités de la mécanique quantique, mais les ordinateurs quantiques arrivent juste au point où ils peuvent mettre les théories à l'épreuve.

L'idée clé est de créer un qubit logique à partir de qubits physiques redondants de manière à pouvoir vérifier si les qubits s'accordent sur certains faits de mécanique quantique sans jamais connaître l'état de l'un d'eux individuellement.

Ne peut pas s'améliorer sur l'atome

Il existe de nombreux codes de correction d'erreurs quantiques parmi lesquels choisir, et certains sont plus naturels pour une approche particulière de la création d'un ordinateur quantique. Chaque façon de fabriquer un ordinateur quantique a ses propres types d'erreurs ainsi que des points forts uniques. Ainsi, la construction d'un ordinateur quantique pratique nécessite de comprendre et de travailler avec les erreurs et les avantages particuliers que votre approche apporte.

L'ordinateur quantique à piège à ions avec lequel Monroe et ses collègues travaillent présente l'avantage que leurs qubits individuels sont identiques et très stables. Étant donné que les qubits sont des ions chargés électriquement, chaque qubit peut communiquer avec tous les autres de la ligne via des poussées électriques, offrant une liberté par rapport aux systèmes qui nécessitent une connexion solide avec les voisins immédiats.

"Ce sont des atomes d'un élément et d'un isotope particuliers, ils sont donc parfaitement reproductibles", explique Monroe. « Et quand vous stockez la cohérence dans les qubits et que vous les laissez tranquilles, elle existe essentiellement pour toujours. Donc, le qubit lorsqu'il est laissé seul est parfait. Pour utiliser ce qubit, nous devons le pousser avec des lasers, nous devons lui faire des choses, nous devons nous accrocher au atome avec des électrodes dans une chambre à vide, toutes ces choses techniques ont du bruit et elles peuvent affecter le qubit.

Pour le système de Monroe, la plus grande source d'erreurs est l'enchevêtrement des opérations - la création de liens quantiques entre deux qubits avec des impulsions laser. Les opérations d'intrication sont des éléments nécessaires au fonctionnement d'un ordinateur quantique et à la combinaison de qubits en qubits logiques. Ainsi, bien que l'équipe ne puisse pas espérer que ses qubits logiques stockent les informations de manière plus stable que les qubits ioniques individuels, la correction des erreurs qui se produisent lors de l'enchevêtrement des qubits est une amélioration vitale.

Les chercheurs ont sélectionné le code Bacon-Shor comme une bonne correspondance pour les avantages et les faiblesses de leur système. Pour ce projet, ils n'avaient besoin que de 15 des 32 ions que leur système peut prendre en charge, et deux des ions n'étaient pas utilisés comme qubits mais n'étaient nécessaires que pour obtenir un espacement régulier entre les autres ions. Pour le code, ils ont utilisé neuf qubits pour encoder de manière redondante un seul qubit logique et quatre qubits supplémentaires pour sélectionner les emplacements où des erreurs potentielles se sont produites. Avec ces informations, les qubits défectueux détectés peuvent, en théorie, être corrigés sans que la "quantité" des qubits ne soit compromise en mesurant l'état de n'importe quel qubit individuel.

"L'élément clé de la correction d'erreur quantique est la redondance, c'est pourquoi nous avions besoin de neuf qubits pour obtenir un qubit logique", explique Laird Egan, étudiant diplômé de JQI, qui est le premier auteur de l'article. "Mais cette redondance nous aide à rechercher les erreurs et à les corriger, car une erreur sur un seul qubit peut être protégée par les huit autres."

L'équipe a utilisé avec succès le code Bacon-Shor avec le système de piège à ions. Le qubit logique résultant nécessitait six opérations d'intrication, chacune avec un taux d'erreur attendu entre 0.7 % et 1.5 %. Mais grâce à la conception soignée du code, ces erreurs ne se combinent pas en un taux d'erreur encore plus élevé lorsque les opérations d'intrication ont été utilisées pour préparer le qubit logique dans son état initial.

L'équipe n'a observé une erreur dans la préparation et la mesure du qubit que 0.6% du temps, soit moins que l'erreur la plus faible attendue pour l'une des opérations d'enchevêtrement individuelles. L'équipe a ensuite pu déplacer le qubit logique vers un deuxième état avec une erreur de seulement 0.3%. L'équipe a également intentionnellement introduit des erreurs et démontré qu'elle pouvait les détecter.

« C'est vraiment une démonstration de la correction d'erreur quantique qui améliore pour la première fois les performances des composants sous-jacents », déclare Egan. « Et il n'y a aucune raison pour que d'autres plates-formes ne puissent pas faire la même chose à mesure qu'elles évoluent. C'est vraiment une preuve de concept que la correction d'erreur quantique fonctionne.

Alors que l'équipe poursuit cette ligne de travail, ils disent qu'ils espèrent obtenir un succès similaire en construisant des portes logiques quantiques encore plus difficiles à partir de leurs qubits, en effectuant des cycles complets de correction d'erreurs où les erreurs détectées sont activement corrigées et en enchevêtrant plusieurs qubits logiques ensemble. .

« Jusqu'à cet article, tout le monde s'est concentré sur la création d'un qubit logique », explique Egan. « Et maintenant que nous en avons créé un, nous nous disons : « Les qubits logiques simples fonctionnent, alors que pouvez-vous faire avec deux ? » »

Référence : « Contrôle tolérant aux pannes d'un qubit corrigé par erreur » par Laird Egan, Dripto M. Debroy, Crystal Noel, Andrew Risinger, Daiwei Zhu, Debopriyo Biswas, Michael Newman, Muyuan Li, Kenneth R. Brown, Marko Cetina et Christopher Monroe, le 4 octobre 2021, Nature.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03928-y

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