Si vous construisez un ordinateur quantique avec l'intention de faire des calculs même pas imaginables avec la technologie conventionnelle d'aujourd'hui, vous êtes dans un effort ardu. Exemple concret :vous explorez de nouveaux problèmes et situations associés au travail de base de systèmes nouveaux et complexes ainsi qu'à une technologie de pointe.

Telle est la vie des scientifiques du Martinis Group de l'UC Santa Barbara et de Google, Inc., alors qu'ils explorent le monde passionnant mais aussi quelque peu contre-intuitif de l'informatique quantique. Dans un article publié dans la revue Physique de la nature , eux et leurs collègues de l'Université Tulane à la Nouvelle-Orléans démontrent une plate-forme relativement simple mais complète pour le traitement quantique, intégrant le contrôle de trois qubits supraconducteurs.

"Nous sondons à la limite de nos capacités, " a déclaré l'auteur principal de l'article, Pédram Roushan. Il y a eu pas mal d'efforts pour construire et étudier des parties individuelles d'un processeur quantique, il expliqua, mais ce projet particulier implique de les rassembler tous dans un bloc de construction de base qui peut être entièrement contrôlé et potentiellement mis à l'échelle dans un ordinateur quantique fonctionnel.

Cependant, devant un ordinateur quantique entièrement réalisable - avec tout son potentiel pour de vastes, calculs rapides et simultanés - peuvent être effectués, des circonstances diverses et parfois imprévisibles et spontanées surviennent et doivent être comprises alors que les chercheurs poursuivent un contrôle et une sophistication accrus de leur système.

"Vous avez affaire à des particules - des qubits dans ce cas - qui interagissent les unes avec les autres, et ils interagissent avec des champs externes, " a déclaré Roushan. " Tout cela conduit à une physique très compliquée. "

Pour aider à résoudre ce problème particulier à plusieurs corps, il expliqua, leur système de traitement quantique entièrement contrôlable devait être construit à partir d'un seul qubit, afin de donner aux chercheurs la possibilité de mieux comprendre les états, comportements et interactions qui peuvent survenir.

En concevant les séquences d'impulsions utilisées pour manipuler les spins des photons dans leur système, les chercheurs ont créé un champ magnétique artificiel affectant leur boucle fermée de trois qubits, faisant interagir fortement les photons non seulement les uns avec les autres, mais aussi avec le champ pseudo-magnétique. Pas un petit exploit.

« Naturellement, la plupart des systèmes où il y a un bon contrôle sont des systèmes photoniques, " a déclaré le co-auteur Charles Neill. Contrairement aux électrons, les photons sans charge ont généralement tendance à ne pas interagir entre eux ni avec des champs magnétiques externes, il expliqua. "Dans cet article, nous montrons que nous pouvons les amener à interagir très fortement les uns avec les autres, et interagissent très fortement avec un champ magnétique, quelles sont les deux choses que vous devez faire pour les amener à faire de la physique intéressante avec des photons, " dit Neill.

Un autre avantage de ce système de matière condensée synthétique est la capacité de le conduire dans son état énergétique le plus bas - appelé état fondamental - pour sonder ses propriétés.

Mais avec plus de contrôle vient le potentiel pour plus de décohérence. Alors que les chercheurs s'efforçaient d'améliorer la programmabilité et la capacité d'influencer et de lire les qubits, plus leur système était susceptible d'être ouvert aux erreurs et à la perte d'informations.

"Plus nous avons de contrôle sur un système quantique, les algorithmes les plus complexes que nous serions capables d'exécuter, " a déclaré le co-auteur Anthony Megrant. " Cependant, chaque fois que nous ajoutons une ligne de contrôle, nous introduisons également une nouvelle source de décohérence." Au niveau d'un seul qubit, une petite marge d'erreur peut être tolérée, les chercheurs ont expliqué, mais même avec une augmentation relativement faible du nombre de qubits, le potentiel d'erreur se multiplie de façon exponentielle.

"Il y a ces corrections qui sont intrinsèquement de la mécanique quantique, et puis ils commencent à avoir de l'importance au niveau de précision auquel nous arrivons, " dit Neill.

Pour lutter contre le potentiel d'erreur tout en augmentant leur niveau de contrôle, l'équipe a dû reconsidérer à la fois l'architecture de son circuit et le matériel qui y était utilisé. Au lieu de leur traditionnellement à un seul niveau, disposition plane, les chercheurs ont redessiné le circuit pour permettre aux lignes de contrôle de « croiser » d'autres via un « pont » métallique autoportant. Le diélectrique, le matériau isolant entre les fils conducteurs de commande, s'est révélé lui-même une source majeure d'erreurs.

"Tous les diélectriques déposés que nous connaissons sont à très fortes pertes, "Mégrant a dit, et donc un substrat fabriqué avec plus de précision et moins défectueux a été introduit pour minimiser la probabilité de décohérence.

Les progrès sont progressifs mais solides, selon les chercheurs, qui continuent d'explorer le véritable potentiel de leur système quantique. Ajoutez à cette vitesse de danse délicate, ce qui est essentiel pour le type de performances qu'ils souhaitent voir dans un ordinateur quantique pleinement opérationnel. Les vitesses lentes réduisent les erreurs de contrôle mais rendent le système plus vulnérable aux limites de cohérence et aux défauts imposés par les matériaux. Les vitesses rapides évitent l'influence des défauts du matériau mais réduisent le contrôle des opérateurs sur le système, ils ont dit.

Avec cette plateforme, cependant, la mise à l'échelle sera une réalité dans un avenir pas si lointain, ils ont dit.

"Si nous pouvons contrôler ces systèmes très précisément - peut-être au niveau d'environ 30 qubits - nous pouvons atteindre le niveau de calcul qu'aucun ordinateur conventionnel ne peut faire, " dit Roushan.