Les corrélations quantiques entre deux ions béryllium (représentés par des sphères bleues) sont mesurées séquentiellement à l'aide d'un ion calcium auxiliaire (sphère rouge) et stabilisées par rétrocontrôle via un puissant système de contrôle classique (en bas à droite) qui propose un traitement en séquence flexible. Crédit:ETH Zurich / Groupe d'accueil
Les systèmes quantiques peuvent être manipulés avec une précision extrêmement élevée, mais pas parfaitement. Des chercheurs du département de physique de l'ETH Zurich ont maintenant démontré comment surveiller et corriger les erreurs qui se produisent lors de telles opérations.
Le domaine de l'informatique quantique a connu d'énormes progrès ces dernières années. De plus en plus, les dispositifs quantiques défient les ordinateurs conventionnels, au moins à une poignée de tâches sélectionnées. Malgré les avancées actuelles, les processeurs d'informations quantiques d'aujourd'hui ont encore du mal à gérer les erreurs, qui se produisent inévitablement dans tout calcul. Cette incapacité à rectifier efficacement les erreurs entrave les efforts visant à traitement à grande échelle de l'information quantique. Maintenant, un ensemble d'expériences du groupe de Jonathan Home à l'Institute for Quantum Electronics a, pour la première fois, intégré une gamme d'éléments nécessaires pour effectuer une correction d'erreur quantique dans une seule expérience. Ces résultats ont été publiés aujourd'hui dans la revue La nature .
Rendre l'imperfection tolérable
Tout comme leurs homologues classiques, les ordinateurs quantiques sont construits à partir de composants imparfaits, et ils sont beaucoup plus sensibles aux perturbations de l'extérieur. Cela conduit inévitablement à des erreurs lors de l'exécution des calculs. Pour les ordinateurs conventionnels, il existe une boîte à outils bien établie pour détecter et corriger de telles erreurs. Les ordinateurs quantiques s'appuieront encore plus sur la localisation et la correction des erreurs. Cela nécessite des approches conceptuellement différentes qui prennent en compte le fait que l'information est codée dans des états quantiques. En particulier, lire des informations quantiques à plusieurs reprises sans les déranger, une exigence de détection des erreurs, et réagir en temps réel pour inverser ces erreurs posent des défis considérables.
Répéter les performances
Le groupe Home encode les informations quantiques dans les états quantiques d'ions uniques qui sont enchaînés dans un piège. Typiquement, ces chaînes contiennent des ions d'une seule espèce. Mais Ph.D. étudiants Vlad Negnevitsky et Matteo Marinelli, avec le postdoc Karan Mehta et d'autres collègues, ont maintenant créé des chaînes dans lesquelles ils ont piégé deux espèces différentes - deux ions béryllium ( 9 Être + ) et un ion calcium ( 40 Californie + ). De telles chaînes d'espèces mixtes ont déjà été produites, mais l'équipe les a utilisés de manière innovante.
Ils ont utilisé les propriétés distinctement différentes que possèdent les deux espèces. En particulier, dans leurs expériences, ils ont manipulé et mesuré les ions béryllium et calcium en utilisant différentes couleurs de lumière. Cela ouvre une voie pour travailler sur une espèce sans déranger l'autre. À la fois, les chercheurs de l'ETH ont trouvé des moyens de laisser les ions différents interagir les uns avec les autres de sorte que les mesures sur l'ion calcium fournissent des informations sur les états quantiques des ions béryllium, sans corrompre ces États fragiles. Surtout, les physiciens ont surveillé les ions béryllium à plusieurs reprises car ils étaient soumis à des imperfections et à des erreurs. L'équipe a effectué 50 mesures sur le même système, alors que dans les expériences précédentes (où seuls des ions calcium étaient utilisés), une telle lecture répétée a été limitée à quelques tours seulement.
Action corrective
Repérer les erreurs est une chose; prendre des mesures pour les rectifier autre. Pour faire ce dernier, les chercheurs ont développé un système de contrôle puissant pour pousser à plusieurs reprises les ions béryllium en fonction de leur distance par rapport à l'état cible. Remettre les ions sur les rails a nécessité un traitement complexe de l'information à l'échelle de la microseconde. Comme le système utilise une électronique de commande classique, l'approche maintenant démontrée devrait également être utile pour les plates-formes de calcul quantique basées sur des supports d'information autres que les ions piégés.
Surtout, Negnevitski, Marinelli, Mehta et leurs collègues ont démontré que ces techniques peuvent également être utilisées pour stabiliser des états dans lesquels les deux ions béryllium partagent des états quantiques intriqués, qui n'ont pas d'équivalent direct en physique classique. L'intrication est un ingrédient qui confère aux ordinateurs quantiques des capacités uniques. De plus, l'enchevêtrement peut également être utilisé pour améliorer l'exactitude des mesures de précision. Des ingrédients pour la correction d'erreurs tels que ceux qui sont maintenant démontrés peuvent prolonger la durée de ces états, offrant des perspectives intrigantes non seulement pour le calcul quantique, mais aussi pour la métrologie.
