'Bruit

7 juin 2023

Malgré leur immense promesse de résoudre de nouveaux types de problèmes, les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui sont intrinsèquement sujets à l'erreur. Une petite perturbation dans leur environnement environnant - un changement de température, de pression ou de champ magnétique, par exemple - peut perturber leurs fragiles blocs de construction informatiques, appelés qubits.

Maintenant, des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago ont développé une nouvelle méthode pour surveiller en permanence le bruit autour d'un système quantique et ajuster les qubits, en temps réel, pour minimiser les erreurs.

L'approche, décrite en ligne dans Science, repose sur des qubits spectateurs : un ensemble de qubits embarqués dans l'ordinateur dans le seul but de mesurer le bruit extérieur plutôt que de stocker des données. Les informations recueillies par ces qubits spectateurs peuvent ensuite être utilisées pour annuler le bruit dans les qubits de traitement de données vitaux.

Asst. Le professeur Hannes Bernien, qui a dirigé la recherche, compare le nouveau système à des écouteurs antibruit, qui surveillent en permanence les bruits environnants et émettent des fréquences opposées pour les annuler.

"Avec cette approche, nous pouvons améliorer de manière très robuste la qualité des qubits de données", a déclaré Bernien. "Je considère cela comme étant très important dans le contexte de l'informatique quantique et de la simulation quantique."

À mesure que les ordinateurs quantiques existants sont mis à l'échelle, le défi du bruit et des erreurs s'est accru. Le problème est double : les qubits changent facilement en réponse à leur environnement, ce qui peut altérer les informations stockées à l'intérieur et entraîner des taux d'erreur élevés. De plus, si un scientifique mesure un qubit, pour essayer de mesurer le bruit auquel il a été exposé, l'état du qubit s'effondre, perdant ses données.

"C'est une tâche très ardue et difficile d'essayer de corriger les erreurs dans un système quantique", a déclaré Bernien.

Les physiciens théoriciens avaient précédemment proposé une solution utilisant des qubits spectateurs, un ensemble de qubits qui ne stockent aucune donnée nécessaire mais qui pourraient être intégrés dans un ordinateur quantique. Les qubits spectateurs suivraient les changements dans l'environnement, agissant comme le microphone contenu dans les écouteurs antibruit. Un microphone, bien sûr, ne détecte que les ondes sonores tandis que les qubits spectateurs proposés répondraient à toute perturbation environnementale capable de modifier les qubits.

Le groupe de Bernien a entrepris de démontrer que ce concept théorique pouvait être utilisé pour annuler le bruit dans un réseau quantique d'atomes neutres - leur ordinateur quantique préféré.

Dans un processeur quantique à atomes neutres, les atomes sont suspendus en place à l'aide de faisceaux laser appelés pincettes optiques, que Bernien a aidé à développer, ce qui lui a valu des distinctions telles que le prix New Horizons in Physics 2023 de la Breakthrough Prize Foundation. Dans de larges réseaux de ces atomes suspendus, chacun agit comme un qubit, capable de stocker et de traiter des informations dans son état de superposition.

En 2022, Bernien et ses collègues ont signalé pour la première fois la possibilité de fabriquer un processeur quantique atomique hybride contenant à la fois des atomes de rubidium et de césium. Maintenant, ils ont adapté ce processeur pour que les atomes de rubidium agissent comme des qubits de données tandis que les atomes de césium sont des qubits spectateurs. L'équipe a conçu un système pour lire en continu les données en temps réel des atomes de rubidium et, en réponse, modifier les atomes de césium avec des oscillations micro-ondes.

Le défi, a déclaré Bernien, était de s'assurer que le système était assez rapide - tout ajustement des atomes de rubidium devait être presque instantané.

"Ce qui est vraiment excitant à ce sujet, c'est que non seulement cela minimise tout bruit pour les qubits de données, mais c'est un exemple d'interaction réelle avec un système quantique en temps réel", a déclaré Bernien.

Pour tester leur approche de minimisation des erreurs, le groupe de Bernien a exposé le réseau quantique au bruit du champ magnétique. Ils ont montré que les atomes de césium captaient correctement ce bruit et que leur système l'annulait ensuite dans les atomes de rubidium en temps réel.

Cependant, le groupe de recherche affirme que le prototype initial n'est qu'un point de départ. Ils aimeraient essayer d'augmenter la quantité de bruit et de varier les types de perturbations et de tester si l'approche tient.

"Nous avons des idées passionnantes sur la façon d'améliorer la sensibilité de ce système par un facteur important, mais il faudra plus de travail pour le mettre en œuvre", a déclaré Bernien. "C'était un excellent point de départ."

Finalement, Bernien imagine qu'un système de qubits spectateurs pourrait fonctionner constamment en arrière-plan de n'importe quel ordinateur quantique à atome neutre et également des ordinateurs quantiques d'autres architectures, minimisant l'erreur lorsque l'ordinateur stocke des données et effectue des calculs.

—Adapté d'un article publié pour la première fois par la Pritzker School of Molecular Engineering.

Citation : "Correction à mi-circuit des erreurs de phase corrélées à l'aide d'un tableau de qubits spectateurs." Singh et al, Science, 25 mai 2023.

Financement : US Office for Naval Research, US Air Force Office of Scientific Research, National Science Foundation QLCI for Hybrid Quantum Architectures and Networks, Sloan Foundation.

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