Un nouveau programme informatique qui détecte quand les informations d'un ordinateur quantique s'échappent vers des états indésirables donnera aux utilisateurs de cette technologie prometteuse la possibilité de vérifier sa fiabilité sans aucune connaissance technique pour la première fois.

Des chercheurs du département de physique de l'Université de Warwick ont ​​développé un programme informatique quantique pour détecter la présence de « fuites », où les informations traitées par un ordinateur quantique s'échappent des états 0 et 1.

Leur méthode est présentée dans un article publié aujourd'hui (19 mars) dans la revue Examen physique A , et comprend les données expérimentales de son application sur une machine accessible au public, cela montre que des états indésirables affectent certains calculs.

L'informatique quantique exploite les propriétés inhabituelles de la physique quantique pour traiter l'information d'une manière totalement différente des ordinateurs conventionnels. Profitant du comportement des systèmes quantiques, comme exister dans plusieurs états différents en même temps, cette forme radicale de calcul est conçue pour traiter des données dans tous ces états simultanément, ce qui lui confère un énorme avantage par rapport à l'informatique conventionnelle.

En informatique conventionnelle, les ordinateurs quantiques utilisent des combinaisons de 0 et de 1 pour coder les informations, mais les ordinateurs quantiques peuvent exploiter des états quantiques qui sont à la fois 0 et 1 en même temps. Cependant, le matériel qui code ces informations peut parfois les encoder de manière incorrecte dans un autre état, un problème connu sous le nom de « fuite ». Même une fuite infime s'accumulant sur plusieurs millions de composants matériels peut provoquer des erreurs de calcul et des erreurs potentiellement graves, annulant tout avantage quantique par rapport aux ordinateurs conventionnels. Dans le cadre d'un ensemble beaucoup plus large d'erreurs, les fuites jouent leur rôle en empêchant les ordinateurs quantiques d'être mis à l'échelle vers des applications commerciales et industrielles.

Armé de la connaissance de la quantité de fuite quantique qui se produit, les ingénieurs informaticiens seront mieux à même de construire des systèmes qui l'atténuent et les programmeurs peuvent développer de nouvelles techniques de correction d'erreurs pour en tenir compte.

Dr Animesh Datta, Professeur agrégé de physique, a déclaré : « L'intérêt commercial pour l'informatique quantique augmente, nous voulions donc demander comment nous pouvons affirmer avec certitude que ces machines font ce qu'elles sont censées faire.

"Les ordinateurs quantiques sont idéalement constitués de qubits, mais comme il s'avère que dans les appareils réels, ce ne sont parfois pas du tout des qubits, mais en fait des qutrits (trois états) ou des ququarts (quatre systèmes d'états). Un tel problème peut corrompre chaque étape ultérieure de votre opération informatique.

« La plupart des plates-formes matérielles d'informatique quantique souffrent de ce problème :même les lecteurs d'ordinateurs conventionnels subissent des fuites magnétiques, par exemple. Nous avons besoin d'ingénieurs en informatique quantique pour réduire autant que possible les fuites grâce à la conception, mais nous devons également permettre aux utilisateurs d'ordinateurs quantiques d'effectuer des tests de diagnostic simples pour cela.

« Si les ordinateurs quantiques doivent entrer dans l'usage courant, il est important qu'un utilisateur n'ayant aucune idée du fonctionnement d'un ordinateur quantique puisse vérifier qu'il fonctionne correctement sans avoir besoin de connaissances techniques, ou s'ils accèdent à cet ordinateur à distance."

Les chercheurs ont appliqué leur méthode à l'aide des dispositifs quantiques IBM Q Experience, via le service cloud accessible au public d'IBM. Ils ont utilisé une technique appelée vérification de dimension :en appliquant à plusieurs reprises la même opération sur la plate-forme IBM Q, ils ont obtenu un ensemble de données de résultats qui ne pouvaient pas être expliqués par un seul bit quantique, et seulement par un plus compliqué, système quantique de dimension supérieure. Ils ont calculé que la probabilité de cette conclusion résultant du simple hasard est inférieure à 0,05 %.

Alors que les ordinateurs conventionnels utilisent des chiffres binaires, ou des 0 et des 1, coder des informations dans des transistors, les ordinateurs quantiques utilisent des particules subatomiques ou des circuits supraconducteurs appelés transmons pour coder ces informations sous forme de qubit. Cela signifie qu'il est dans une superposition de 0 et de 1 en même temps, permettant aux utilisateurs de calculer simultanément sur différentes séquences des mêmes qubits. Au fur et à mesure que le nombre de qubits augmente, le nombre de processus augmente également de façon exponentielle. Certains types de problèmes, comme ceux trouvés dans le décryptage (qui repose sur la factorisation de grands entiers) et en chimie (comme la simulation de molécules compliquées), sont particulièrement adaptés à l'exploitation de cette propriété.

Les transmons (et autres matériels informatiques quantiques) peuvent exister dans un grand nombre d'états :0, 1, 2, 3, 4 et ainsi de suite. Un ordinateur quantique idéal n'utilise que les états 0 et 1, ainsi que les superpositions de celles-ci, sinon, des erreurs apparaîtront dans le calcul quantique.

Dr George Knee, dont le travail a été financé par une bourse de recherche de la Commission royale pour l'exposition de 1851, a dit :« C'est quelque chose de pouvoir tirer cette conclusion à une distance de plusieurs milliers de milles, avec un accès très limité à la puce IBM elle-même. Bien que notre programme n'ait utilisé que les instructions autorisées de « qubit unique », l'approche d'observation des dimensions a pu montrer que des états indésirables étaient accédés dans les composants du circuit transmon. Je vois cela comme une victoire pour tout utilisateur qui souhaite étudier les propriétés annoncées d'une machine quantique sans avoir besoin de se référer aux détails spécifiques au matériel."