Dans une étape vers l'informatique quantique pratique, chercheurs du MIT, Google, et ailleurs ont conçu un système qui peut vérifier quand les puces quantiques ont effectué avec précision des calculs complexes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas.

Les puces quantiques effectuent des calculs à l'aide de bits quantiques, appelé "qubits, " qui peut représenter les deux états correspondant aux bits binaires classiques - un zéro ou un - ou une " superposition quantique " des deux états simultanément. L'état de superposition unique peut permettre aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes pratiquement impossibles pour les ordinateurs classiques, potentiellement stimuler des percées dans la conception de matériaux, découverte de médicament, et l'apprentissage automatique, entre autres applications.

Les ordinateurs quantiques à grande échelle nécessiteront des millions de qubits, ce qui n'est pas encore faisable. Au cours des dernières années, les chercheurs ont commencé à développer des puces "Noisy Intermediate Scale Quantum" (NISQ), qui contiennent environ 50 à 100 qubits. C'est juste assez pour démontrer "l'avantage quantique, " ce qui signifie que la puce NISQ peut résoudre certains algorithmes insolubles pour les ordinateurs classiques. Vérifier que les puces ont effectué les opérations comme prévu, cependant, peut être très inefficace. Les sorties de la puce peuvent sembler entièrement aléatoires, il faut donc beaucoup de temps pour simuler des étapes pour déterminer si tout s'est déroulé comme prévu.

Dans un article publié aujourd'hui dans Physique de la nature , les chercheurs décrivent un nouveau protocole pour vérifier efficacement qu'une puce NISQ a effectué toutes les bonnes opérations quantiques. Ils ont validé leur protocole sur un problème quantique notoirement difficile exécuté sur une puce photonique quantique personnalisée.

« Alors que les progrès rapides de l'industrie et du monde universitaire nous amènent à l'orée des machines quantiques capables de surpasser les machines classiques, la tâche de vérification quantique devient critique dans le temps, " dit le premier auteur Jacques Carolan, un post-doctorat au Département de génie électrique et informatique (EECS) et au Laboratoire de recherche en électronique (RLE). "Notre technique fournit un outil important pour vérifier une large classe de systèmes quantiques. Parce que si j'investis des milliards de dollars pour construire une puce quantique, il vaut mieux faire quelque chose d'intéressant."

Des chercheurs d'EECS et de RLE au MIT rejoignent Carolan sur le papier, ainsi que du Google Quantum AI Laboratory, Elenion Technologies, Matière de lumière, et Zapata Computing.

Diviser et conquérir

Le travail des chercheurs retrace essentiellement un état quantique de sortie généré par le circuit quantique jusqu'à un état d'entrée connu. Cela révèle quelles opérations de circuit ont été effectuées sur l'entrée pour produire la sortie. Ces opérations doivent toujours correspondre à ce que les chercheurs ont programmé. Si non, les chercheurs peuvent utiliser les informations pour déterminer où les choses se sont mal passées sur la puce.

Au cœur du nouveau protocole, appelé « déséchantillonnage quantique variationnel », " se trouve une approche " diviser pour mieux régner ", Carole dit, qui divise l'état quantique de sortie en morceaux. "Au lieu de tout faire d'un seul coup, ce qui prend beaucoup de temps, nous effectuons ce décryptage couche par couche. Cela nous permet de décomposer le problème pour le traiter de manière plus efficace, " dit Carole.

Pour ça, les chercheurs se sont inspirés des réseaux de neurones - qui résolvent des problèmes à travers de nombreuses couches de calcul - pour construire un nouveau "réseau de neurones quantiques" (QNN), où chaque couche représente un ensemble d'opérations quantiques.

Pour exécuter le QNN, ils ont utilisé des techniques traditionnelles de fabrication de silicium pour construire une puce NISQ de 2 x 5 millimètres avec plus de 170 paramètres de contrôle, des composants de circuit accordables qui facilitent la manipulation du chemin des photons. Des paires de photons sont générées à des longueurs d'onde spécifiques à partir d'un composant externe et injectées dans la puce. Les photons voyagent à travers les déphaseurs de la puce, qui modifient le chemin des photons, en interférant les uns avec les autres. Cela produit un état de sortie quantique aléatoire, qui représente ce qui se passerait pendant le calcul. La sortie est mesurée par un réseau de capteurs photodétecteurs externes.

Cette sortie est envoyée au QNN. La première couche utilise des techniques d'optimisation complexes pour creuser dans la sortie bruitée afin de localiser la signature d'un seul photon parmi tous ceux qui sont brouillés ensemble. Puis, il « déchiffre » ce photon unique du groupe pour identifier quelles opérations de circuit le ramènent à son état d'entrée connu. Ces opérations doivent correspondre exactement à la conception spécifique du circuit pour la tâche. Toutes les couches suivantes effectuent le même calcul - en supprimant de l'équation tous les photons précédemment désembrouillés - jusqu'à ce que tous les photons soient désembrouillés.

Par exemple, disons que l'état d'entrée des qubits introduits dans le processeur était entièrement à zéro. La puce NISQ exécute un tas d'opérations sur les qubits pour générer un énorme, nombre apparemment changeant au hasard en sortie. (Un nombre de sortie changera constamment car il est dans une superposition quantique.) Le QNN sélectionne des morceaux de ce nombre massif. Puis, couche par couche, il détermine quelles opérations ramènent chaque qubit à son état d'entrée de zéro. Si des opérations sont différentes des opérations initialement prévues, alors quelque chose a mal tourné. Les chercheurs peuvent inspecter toute inadéquation entre la sortie attendue et les états d'entrée, et utilisez ces informations pour peaufiner la conception du circuit.

Boson "déséchantillonnage"

Dans les expériences, l'équipe a exécuté avec succès une tâche de calcul populaire utilisée pour démontrer l'avantage quantique, appelé "prélèvement de bosons, " qui est généralement réalisée sur des puces photoniques. Dans cet exercice, Les déphaseurs et autres composants optiques manipuleront et convertiront un ensemble de photons d'entrée en une superposition quantique différente de photons de sortie. Finalement, la tâche consiste à calculer la probabilité qu'un certain état d'entrée corresponde à un certain état de sortie. Ce sera essentiellement un échantillon d'une distribution de probabilité.

Mais il est presque impossible pour les ordinateurs classiques de calculer ces échantillons, en raison du comportement imprévisible des photons. Il a été théorisé que les puces NISQ peuvent les calculer assez rapidement. Jusqu'à maintenant, cependant, il n'y avait aucun moyen de vérifier cela rapidement et facilement, en raison de la complexité des opérations du NISQ et de la tâche elle-même.

« Les mêmes propriétés qui confèrent à ces puces une puissance de calcul quantique les rendent presque impossibles à vérifier, " dit Carole.

Dans les expériences, les chercheurs ont pu "déséchantillonner" deux photons qui avaient traversé le problème d'échantillonnage des bosons sur leur puce NISQ personnalisée - et en une fraction de temps, cela prendrait des approches de vérification traditionnelles.

"C'est un excellent article qui utilise un réseau de neurones quantiques non linéaires pour apprendre l'opération unitaire inconnue effectuée par une boîte noire, " dit Stefano Pirandola, professeur d'informatique spécialisé dans les technologies quantiques à l'Université de York. "Il est clair que ce schéma pourrait être très utile pour vérifier les portes réelles qui sont exécutées par un circuit quantique - [par exemple] par un processeur NISQ. De ce point de vue, le schéma sert d'outil d'analyse comparative important pour les futurs ingénieurs quantiques. L'idée a été remarquablement mise en œuvre sur une puce quantique photonique."

Bien que la méthode ait été conçue à des fins de vérification quantique, cela pourrait également aider à capturer des propriétés physiques utiles, dit Carole. Par exemple, certaines molécules lorsqu'elles sont excitées vont vibrer, émettent ensuite des photons sur la base de ces vibrations. En injectant ces photons dans une puce photonique, Carole dit, la technique de désembrouillage pourrait être utilisée pour découvrir des informations sur la dynamique quantique de ces molécules afin de faciliter la conception moléculaire en bio-ingénierie. Il pourrait également être utilisé pour déchiffrer des photons porteurs d'informations quantiques qui ont accumulé du bruit en traversant des espaces ou des matériaux turbulents.

"Le rêve est d'appliquer cela à des problèmes intéressants dans le monde physique, " dit Carole.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.