Une étude menée par des physiciens de l'Université de Swansea au Pays de Galles, réalisée par une équipe internationale de chercheurs et publiée dans la revue Examen physique X montre que les technologies de pièges à ions disponibles aujourd'hui sont adaptées à la construction d'ordinateurs quantiques à grande échelle. Les scientifiques introduisent des protocoles de correction d'erreur quantique à ions piégés qui détectent et corrigent les erreurs de traitement.

Afin d'atteindre leur plein potentiel, les prototypes d'ordinateurs quantiques d'aujourd'hui doivent répondre à des critères spécifiques :ils doivent être agrandis, ce qui signifie qu'ils doivent être constitués d'un nombre considérablement plus élevé de bits quantiques. Seconde, ils doivent être capables de traiter les erreurs. « Nous ne parvenons toujours pas à exécuter des calculs complexes car le bruit et les erreurs de l'environnement rendent le système incontrôlable, " dit le physicien quantique Rainer Blatt à Innsbruck. " En utilisant la correction d'erreur quantique, nous pouvons mieux répondre à ce défi." Les ordinateurs classiques utilisent des schémas similaires pour détecter et corriger les erreurs pendant le stockage et le transfert des données :avant que les données ne soient stockées et transférées, une redondance est ajoutée aux données généralement sous la forme de bits supplémentaires détectant et corrigeant les erreurs. Les scientifiques ont développé des schémas comparables pour les ordinateurs quantiques, où l'information quantique est codée dans plusieurs bits quantiques physiques intriqués. "Ici, nous exploitons les propriétés de la mécanique quantique pour la détection et la correction des erreurs, " explique Markus Müller de l'Université de Swansea, Pays de Galles. "Si nous pouvons maintenir le bruit en dessous d'un certain seuil, nous pourrons construire des ordinateurs quantiques capables d'effectuer des calculs quantiques de complexité arbitraire en augmentant en conséquence le nombre de bits quantiques intriqués."

Piégeage des ions dans un labyrinthe

Markus Müller et son collègue Alejandro Bermudez Carballo expliquent que pour atteindre cet objectif, les capacités des plateformes technologiques doivent être exploitées de manière optimale. "Pour une correction d'erreur bénéfique, nous avons besoin de circuits quantiques stables et fonctionnant de manière fiable dans des conditions réalistes, même si des erreurs supplémentaires se produisent pendant la correction d'erreur, " explique Bermudez. Ils ont introduit de nouvelles variantes de protocoles tolérants aux pannes et étudié comment celles-ci peuvent être mises en œuvre avec les opérations actuellement disponibles sur les ordinateurs quantiques. Les chercheurs ont découvert qu'une nouvelle génération de pièges à ions segmentés offre des conditions idéales pour le processus :les ions peuvent être transférés rapidement à travers différents segments du réseau de pièges. Des processus chronométrés avec précision permettent des opérations parallèles dans différentes régions de stockage et de traitement. En utilisant deux types différents d'ions dans un piège, les scientifiques peuvent utiliser un type comme porteur des qubits de données tandis que l'autre peut être utilisé pour la mesure des erreurs, suppression du bruit et refroidissement.

Une nouvelle génération d'ordinateurs quantiques

S'appuyant sur l'expérience expérimentale des groupes de recherche d'Innsbruck, Mayence, Zurich et Sydney, les chercheurs ont défini des critères qui permettront aux scientifiques de déterminer si la correction d'erreur quantique est bénéfique. En utilisant ces informations, ils peuvent guider le développement de futurs ordinateurs quantiques à pièges ioniques dans le but de réaliser un bit quantique logique dans un proche avenir qui, dû à la correction d'erreurs, dépasse les propriétés d'un bit quantique physique pur.

Le groupe de recherche de Simon Benjamin à l'Université d'Oxford a montré à travers des simulations numériques complexes des nouveaux protocoles de correction d'erreurs comment le matériel des ordinateurs quantiques à pièges à ions de prochaine génération doit être construit pour pouvoir traiter les informations avec tolérance aux pannes. "Nos résultats numériques montrent clairement que les technologies de pointe de piège à ions sont bien adaptées pour servir de plates-formes pour la construction d'ordinateurs quantiques tolérants aux pannes à grande échelle, " explique Benjamin.