Les scientifiques de l'USC ont démontré une méthode théorique pour améliorer les performances des ordinateurs quantiques, une étape importante pour faire évoluer une technologie ayant le potentiel de résoudre certains des plus grands défis de la société.

La méthode corrige une faiblesse qui compromet les performances des ordinateurs de nouvelle génération en supprimant les calculs erronés tout en augmentant la fidélité des résultats, une étape critique avant que les machines puissent surpasser les ordinateurs classiques comme prévu. Appelé « découplage dynamique, " il fonctionnait sur deux ordinateurs quantiques, s'est avéré plus facile et plus fiable que d'autres remèdes et était accessible via le cloud, ce qui est une première pour le découplage dynamique.

La technique administre des rafales staccato de minuscules, des impulsions d'énergie focalisées pour compenser les perturbations ambiantes qui gâchent les calculs sensibles. Les chercheurs rapportent qu'ils ont pu maintenir un état quantique jusqu'à trois fois plus longtemps que ce qui se produirait autrement dans un état incontrôlé.

"C'est un pas en avant, " a déclaré Daniel Lidar, professeur de génie électrique, chimie et physique à l'USC et directeur de l'USC Center for Quantum Information Science and Technology (CQIST). "Sans suppression d'erreur, il n'y a aucun moyen que l'informatique quantique puisse dépasser l'informatique classique."

Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans la revue Lettres d'examen physique . Lidar est professeur d'ingénierie Viterbi à l'USC et auteur correspondant de l'étude; il a dirigé une équipe de chercheurs au CQIST, qui est une collaboration entre l'USC Viterbi School of Engineering et l'USC Dornsife School of Letters, Arts et Sciences. IBM et la startup de Bay Area Rigetti Computing ont fourni un accès cloud à leurs ordinateurs quantiques.

Les ordinateurs quantiques sont rapides, mais fragile

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de rendre obsolètes les super ordinateurs d'aujourd'hui et de propulser des percées en médecine, capacités financières et de défense. Ils exploitent la vitesse et le comportement des atomes, qui fonctionnent radicalement différemment des puces informatiques en silicium, pour effectuer des calculs apparemment impossibles.

L'informatique quantique a le potentiel d'optimiser de nouvelles thérapies médicamenteuses, modèles pour le changement climatique et conceptions de nouvelles machines. Ils peuvent obtenir une livraison plus rapide des produits, des coûts inférieurs pour les produits manufacturés et un transport plus efficace. Ils sont alimentés par des qubits, les chevaux de bataille subatomiques et les blocs de construction de l'informatique quantique.

Mais les qubits sont aussi capricieux que les voitures de course hautes performances. Ils sont rapides et de haute technologie, mais sujet aux erreurs et a besoin de stabilité pour soutenir les calculs. Lorsqu'ils ne fonctionnent pas correctement, ils produisent de mauvais résultats, ce qui limite leurs capacités par rapport aux ordinateurs traditionnels. Les scientifiques du monde entier n'ont pas encore atteint un "avantage quantique - le point où un ordinateur quantique surpasse un ordinateur conventionnel sur n'importe quelle tâche.

Le problème est "le bruit, " un descripteur fourre-tout pour les perturbations telles que le son, température et vibrations. Il peut déstabiliser les qubits, qui crée une « décohérence, " un bouleversement qui perturbe la durée de l'état quantique, ce qui réduit le temps qu'un ordinateur quantique peut effectuer une tâche tout en obtenant des résultats précis.

"Le bruit et la décohérence ont un impact important et ruinent les calculs, et un ordinateur quantique avec trop de bruit ne sert à rien, " expliqua Lidar. " Mais si vous pouvez éliminer les problèmes liés au bruit, alors vous commencez à approcher du point où les ordinateurs quantiques deviennent plus utiles que les ordinateurs classiques."

La recherche de l'USC s'étend sur plusieurs plates-formes d'informatique quantique

L'USC est la seule université au monde dotée d'un ordinateur quantique; son recuit quantique D-Wave de 1098 qubits est spécialisé dans la résolution de problèmes d'optimisation. Membre du USC-Lockheed Martin Center for Quantum Computing, il est situé à l'Institut des sciences de l'information de l'USC. Cependant, les derniers résultats de la recherche n'ont pas été obtenus sur la machine D-Wave, mais à plus petite échelle, ordinateurs quantiques à usage général :QX5 à 16 qubits d'IBM et Acorn à 19 qubits de Rigetti.

Pour obtenir le découplage dynamique (DD), les chercheurs ont baigné les qubits supraconducteurs avec des impulsions chronométrées d'énergie électromagnétique minuscule. En manipulant les impulsions, les scientifiques ont pu envelopper les qubits dans un microenvironnement, séquestré - ou découplé - du bruit ambiant environnant, perpétuant ainsi un état quantique.

"Nous avons essayé un mécanisme simple pour réduire les erreurs dans les machines qui s'est avéré efficace, " dit Bibek Pokharel, doctorant en génie électrique à l'USC Viterbi et premier auteur de l'étude.

Les séquences temporelles des expériences étaient extrêmement petites avec jusqu'à 200 impulsions couvrant jusqu'à 600 nanosecondes. Un milliardième de seconde, ou une nanoseconde, c'est le temps qu'il faut à la lumière pour parcourir un pied.

Pour les ordinateurs quantiques IBM, fidélité finale triplée, de 28,9% à 88,4%. Pour l'ordinateur quantique Rigetti, l'amélioration finale de la fidélité était plus modeste de 17 %, de 59,8 à 77,1 selon l'étude. Les scientifiques ont testé combien de temps l'amélioration de la fidélité pouvait être maintenue et ont constaté que plus d'impulsions amélioraient toujours les choses pour l'ordinateur Rigetti, alors qu'il y avait une limite d'environ 100 impulsions pour l'ordinateur IBM.

Globalement, les résultats montrent que la méthode DD fonctionne mieux que les autres méthodes de correction d'erreur quantique qui ont été tentées jusqu'à présent, dit Lidar.

"Au meilleur de nos connaissances, " les chercheurs ont écrit, « Cela équivaut à la première démonstration sans équivoque d'une atténuation réussie de la décohérence dans les plates-formes de qubit supraconductrices basées sur le cloud … nous nous attendons à ce que les leçons tirées soient largement applicables. »

De gros enjeux dans la course à la suprématie quantique

La quête de la suprématie de l'informatique quantique est une priorité géopolitique pour l'Europe, Chine, Canada, Australie et États-Unis. L'avantage obtenu en acquérant le premier ordinateur qui rendrait tous les autres ordinateurs obsolètes serait énorme et apporterait économique, avantages militaires et de santé publique au gagnant.

Le Congrès envisage deux nouveaux projets de loi pour faire des États-Unis un leader de l'informatique quantique. En septembre, la Chambre des représentants a adopté la National Quantum Initiative Act pour allouer 1,3 milliard de dollars en cinq ans pour stimuler la recherche et le développement. Il créerait un bureau national de coordination quantique à la Maison Blanche pour superviser la recherche à l'échelle nationale. Une facture séparée, le Quantum Computing Research Act de la sénatrice Kamala Harris, D-Californie, ordonne au ministère de la Défense de diriger un effort d'informatique quantique.

"L'informatique quantique est la prochaine frontière technologique qui va changer le monde et nous ne pouvons pas nous permettre de prendre du retard, " a déclaré Harris dans des remarques préparées. " Cela pourrait créer des emplois pour la prochaine génération, guérir les maladies et surtout rendre notre nation plus forte et plus sûre. ... Sans recherche et coordination adéquates en informatique quantique, nous risquons de prendre du retard sur notre concurrence mondiale dans la course au cyberespace, qui nous rend vulnérables aux attaques de nos adversaires, " elle a dit.