Une équipe du Dartmouth College et du MIT a conçu et réalisé le premier test en laboratoire pour détecter et caractériser avec succès une classe de complexes, processus de bruit « non gaussiens » qui sont couramment rencontrés dans les systèmes informatiques quantiques supraconducteurs.

La caractérisation du bruit non gaussien dans les bits quantiques supraconducteurs est une étape critique pour rendre ces systèmes plus précis.

L'étude conjointe, Publié dans Communication Nature , pourrait aider à accélérer la réalisation de systèmes informatiques quantiques. L'expérience était basée sur des recherches théoriques antérieures menées à Dartmouth et publiées dans Lettres d'examen physique en 2016.

"Il s'agit de la première étape concrète vers la tentative de caractériser des types de processus de bruit plus complexes que ceux communément admis dans le domaine quantique, " dit Lorenza Viola, un professeur de physique à Dartmouth qui a dirigé l'étude de 2016 ainsi que la composante théorique du présent travail. "Comme les propriétés de cohérence des qubits sont constamment améliorées, il est important de détecter le bruit non gaussien afin de construire les systèmes quantiques les plus précis possibles."

Les ordinateurs quantiques diffèrent des ordinateurs traditionnels en allant au-delà du séquençage binaire « on-off » privilégié par la physique classique. Les ordinateurs quantiques reposent sur des bits quantiques, également appelés qubits, qui sont construits à partir de particules atomiques et subatomiques.

Essentiellement, les qubits peuvent être placés dans une combinaison de positions "on" et "off" en même temps. Ils peuvent aussi être "enchevêtrés, " ce qui signifie que les propriétés d'un qubit peuvent en influencer un autre à distance.

Les systèmes qubit supraconducteurs sont considérés comme l'un des principaux concurrents dans la course à la construction évolutive, ordinateurs quantiques de haute performance. Mais, comme les autres plateformes qubit, ils sont très sensibles à leur environnement et peuvent être affectés à la fois par le bruit externe et le bruit interne.

Le bruit externe dans les systèmes informatiques quantiques pourrait provenir de l'électronique de contrôle ou de champs magnétiques parasites. Le bruit interne pourrait provenir d'autres systèmes quantiques non contrôlés tels que des impuretés matérielles. La capacité à réduire le bruit est un axe majeur dans le développement des ordinateurs quantiques.

« La grande barrière qui nous empêche d'avoir des ordinateurs quantiques à grande échelle maintenant est ce problème de bruit. » dit Leigh Norris, un associé postdoctoral à Dartmouth qui a co-écrit l'étude. "Cette recherche nous pousse vers la compréhension du bruit, ce qui est un pas vers son annulation, et j'espère avoir un jour un ordinateur quantique fiable."

Le bruit indésirable est souvent décrit en termes de modèles "gaussiens" simples, dans lequel la distribution de probabilité des fluctuations aléatoires du bruit crée un familier, courbe gaussienne en cloche. Le bruit non gaussien est plus difficile à décrire et à détecter car il se situe en dehors de la plage de validité de ces hypothèses et parce qu'il peut simplement y en avoir moins.

Chaque fois que les propriétés statistiques du bruit sont gaussiennes, une petite quantité d'informations peut être utilisée pour caractériser le bruit, à savoir, les corrélations à seulement deux moments distincts, ou équivalent, en termes de description du domaine fréquentiel, le soi-disant "spectre de bruit".

Grâce à leur grande sensibilité au milieu environnant, les qubits peuvent être utilisés comme capteurs de leur propre bruit. En s'appuyant sur cette idée, les chercheurs ont progressé dans le développement de techniques d'identification et de réduction du bruit gaussien dans les systèmes quantiques, similaire au fonctionnement des écouteurs antibruit.

Bien qu'il ne soit pas aussi courant que le bruit gaussien, L'identification et l'annulation du bruit non gaussien sont un défi tout aussi important pour la conception optimale des systèmes quantiques.

Le bruit non gaussien se distingue par des modèles de corrélations plus complexes qui impliquent plusieurs points dans le temps. Par conséquent, il faut beaucoup plus d'informations sur le bruit pour qu'il soit identifié.

Dans l'étude, les chercheurs ont pu approcher les caractéristiques du bruit non gaussien en utilisant des informations sur les corrélations à trois moments différents, correspondant à ce que l'on appelle le "bispectre" dans le domaine fréquentiel.

"C'est la première fois qu'un document détaillé, la caractérisation résolue en fréquence du bruit non gaussien a pu être réalisée en laboratoire avec des qubits. Ce résultat élargit considérablement la boîte à outils dont nous disposons pour effectuer une caractérisation précise du bruit et donc créer des qubits meilleurs et plus stables dans les ordinateurs quantiques, " dit Viola.

Un ordinateur quantique qui ne peut pas détecter le bruit non gaussien pourrait facilement être confondu entre le signal quantique qu'il est censé traiter et le bruit indésirable dans le système. Les protocoles permettant de réaliser une spectroscopie de bruit non gaussienne n'existaient pas avant l'étude de Dartmouth en 2016.

Alors que l'expérience du MIT pour valider le protocole ne rendra pas immédiatement les ordinateurs quantiques à grande échelle pratiquement viables, il s'agit d'un grand pas vers les rendre plus précis.

"Cette recherche a commencé sur le tableau blanc. Nous ne savions pas si quelqu'un allait pouvoir la mettre en pratique, mais malgré d'importants défis conceptuels et expérimentaux, l'équipe du MIT l'a fait, " dit Félix Beaudoin, un ancien étudiant postdoctoral de Dartmouth dans le groupe de Viola qui a également joué un rôle déterminant dans la transition entre la théorie et l'expérience dans l'étude.

"Ce fut une joie absolue de collaborer avec Lorenza Viola et sa fantastique équipe théorique à Dartmouth, " dit Guillaume Oliver, professeur de physique au MIT. « Nous travaillons ensemble depuis des années sur plusieurs projets et, alors que l'informatique quantique passe de la curiosité scientifique à la réalité technique, J'anticipe le besoin d'une telle collaboration interdisciplinaire et interinstitutionnelle."

Selon l'équipe de recherche, il reste encore des années de travail supplémentaire pour perfectionner la détection et l'annulation du bruit dans les systèmes quantiques. En particulier, les recherches futures passeront d'un système à capteur unique à un système à deux capteurs, permettant la caractérisation des corrélations de bruit sur différents qubits.