Des chercheurs de l'Université de Chicago ont publié une nouvelle technique pour améliorer la fiabilité des ordinateurs quantiques en accédant à des niveaux d'énergie plus élevés que ceux traditionnellement considérés. La plupart des travaux antérieurs en calcul quantique traitent des "qubits, " l'analogue quantique des bits binaires qui codent soit zéro, soit un. Le nouveau travail exploite à la place "qutrits, " analogues quantiques de trits à trois niveaux capables de représenter zéro, un ou deux.

Le groupe UChicago a travaillé aux côtés de chercheurs basés à l'Université Duke. Les deux groupes font partie de la collaboration EPiQC (Enabling Practical-scale Quantum Computation), une expédition NSF en informatique. La recherche interdisciplinaire d'EPiQC s'étend du développement d'algorithmes et de logiciels à la conception d'architecture et de matériel, dans le but ultime de réaliser plus rapidement l'énorme potentiel de l'informatique quantique pour la découverte scientifique et l'innovation informatique.

Accéder à des niveaux d'énergie plus élevés

Le travail peut être considéré dans le contexte d'un compromis espace-temps fondamental qui est courant en informatique :les programmes peuvent être accélérés en utilisant plus de mémoire, Ou bien, les programmes peuvent réduire les besoins en mémoire en allongeant les temps d'exécution. Mais dans le contexte de l'informatique quantique, où les machines à court terme sont sévèrement limitées en mémoire et en temps d'exécution pris en charge, aucun de ces compromis n'est acceptable.

La solution découverte par l'équipe EPiQC était de briser l'abstraction de l'utilisation de qubits binaires. "Alors que la logique binaire a du sens pour la physique on-off sous-jacente aux ordinateurs conventionnels, le matériel quantique n'est pas intrinsèquement binaire, " explique le chercheur Pranav Gokhale, un étudiant diplômé de l'Université de Chicago. En réalité, les états sur un ordinateur quantique appartiennent à un spectre infini, le qubit est donc simplement un choix artificiellement conçu pour n'utiliser que deux des états.

L'équipe a découvert qu'en autorisant l'utilisation de trois états via des qutrits, l'une des opérations fondamentales du calcul quantique est exponentiellement plus rapide sans nécessiter de mémoire supplémentaire. L'équipe a vérifié sa découverte avec des simulations exécutées dans des conditions de bruit réalistes.

"Les qutrits ont un prix, puisque la présence d'un état supplémentaire implique plus de sources d'erreur possibles, " dit Gokhale. " Néanmoins, nos simulations démontrent que les qutrits ont un avantage convaincant avec une fiabilité deux à dix fois plus élevée que les algorithmes uniquement qubits pour les benchmarks à court terme. »

Combler le fossé entre le matériel et le logiciel

La découverte de l'équipe correspond bien à l'objectif interdisciplinaire d'EPiQC visant à combler le fossé entre le matériel quantique et le logiciel. Une première étape de ce travail a été présentée à la Conférence sur le traitement de l'information quantique en janvier, où il a remporté le prix de la meilleure affiche. Depuis, la recherche a été affinée pour correspondre à des modèles matériels sophistiqués développés en collaboration avec des experts travaillant sur des ordinateurs quantiques supraconducteurs et à ions piégés.

"En adaptant les algorithmes pour tirer parti des capacités uniques du matériel quantique, nous réalisons des gains d'efficacité qui sont autrement cachés derrière les barrières d'abstraction entre le matériel et le logiciel, " note Fred Chong, Seymour Goodman, professeur d'informatique à UChicago et responsable principal de l'EPiQC. "Dans ce cas, notre modélisation matérielle nous a amenés à revisiter et à remettre en question l'idée reçue selon laquelle l'opération binaire est la meilleure pour le calcul."

Le papier complet, "Améliorations asymptotiques des circuits quantiques via Qutrits, " est maintenant publié sur arXiv.