Des laboratoires du monde entier se précipitent pour développer de nouveaux dispositifs de calcul et de détection qui fonctionnent selon les principes de la mécanique quantique et pourraient offrir des avantages considérables par rapport à leurs homologues classiques. Mais ces technologies sont encore confrontées à plusieurs défis, et l'un des plus importants est de savoir comment gérer le "bruit" - des fluctuations aléatoires qui peuvent éradiquer les données stockées dans de tels appareils.

Une nouvelle approche développée par des chercheurs du MIT pourrait constituer une avancée significative dans la correction des erreurs quantiques. La méthode consiste à affiner le système pour traiter les types de bruit les plus probables, plutôt que de lancer un large filet pour essayer d'attraper toutes les sources possibles de perturbation.

L'analyse est décrite dans la revue Lettres d'examen physique , dans un article de David Layden, étudiant diplômé du MIT, post-doctorant Mo Chen, et professeur de sciences et d'ingénierie nucléaires Paola Cappellaro.

« Les principaux problèmes auxquels nous sommes actuellement confrontés dans le développement des technologies quantiques sont que les systèmes actuels sont petits et bruyants, " dit Layden. Le bruit, c'est-à-dire des perturbations indésirables de quelque nature que ce soit, est particulièrement vexant car de nombreux systèmes quantiques sont intrinsèquement très sensibles, une caractéristique sous-jacente à certaines de leurs applications potentielles.

Et il y a un autre problème, Layden dit, c'est-à-dire que les systèmes quantiques sont affectés par toute observation. Donc, alors que l'on peut détecter qu'un système classique dérive et appliquer une correction pour le repousser, les choses sont plus compliquées dans le monde quantique. « Ce qui est vraiment délicat avec les systèmes quantiques, c'est que lorsque vous les regardez, vous avez tendance à les effondrer, " il dit.

Les schémas classiques de correction d'erreurs sont basés sur la redondance. Par exemple, dans un système de communication soumis au bruit, au lieu d'envoyer un seul bit (1 ou 0), on peut envoyer trois exemplaires de chacun (111 ou 000). Puis, si les trois bits ne correspondent pas, cela montre qu'il y a eu une erreur. Plus de copies de chaque bit sont envoyées, plus la correction d'erreur peut être efficace.

Le même principe essentiel pourrait être appliqué à l'ajout de redondance dans les bits quantiques, ou "qubits". Mais, Layden dit, "Si je veux avoir un haut degré de protection, Je dois consacrer une grande partie de mon système à faire ce genre de vérifications. Et c'est un non-starter en ce moment parce que nous avons des systèmes assez petits; nous n'avons tout simplement pas les ressources nécessaires pour effectuer une correction d'erreur quantique particulièrement utile de la manière habituelle. les chercheurs ont trouvé un moyen de cibler la correction d'erreurs de manière très étroite sur les types spécifiques de bruit les plus répandus.

Le système quantique avec lequel ils travaillent est constitué de noyaux de carbone à proximité d'un type particulier de défaut dans un cristal de diamant appelé centre de vacance d'azote. Ces défauts se comportent comme des simples, électrons isolés, et leur présence permet le contrôle des noyaux carbonés voisins.

Mais l'équipe a découvert que l'écrasante majorité du bruit affectant ces noyaux provenait d'une seule source :les fluctuations aléatoires des défauts voisins eux-mêmes. Cette source de bruit peut être modélisée avec précision, et la suppression de ses effets pourrait avoir un impact majeur, car les autres sources de bruit sont relativement insignifiantes.

« Nous comprenons en fait assez bien la principale source de bruit dans ces systèmes, " Layden dit. "Donc, nous n'avons pas à lancer un large filet pour attraper tous les types de bruit hypothétique."

L'équipe a proposé une stratégie de correction d'erreurs différente, adapté pour contrer ce particulier, source dominante de bruit. Comme Layden le décrit, le bruit vient de "ce seul défaut central, ou celui-ci 'électron central, ' qui a tendance à sauter au hasard. Ça tremble."

Cette gigue, à son tour, est ressentie par tous ces noyaux proches, d'une manière prévisible qui peut être corrigée.

« Le résultat de notre approche est que nous sommes en mesure d'obtenir un niveau de protection fixe en utilisant beaucoup moins de ressources que ce qui serait autrement nécessaire, " dit-il. " Nous pouvons utiliser un système beaucoup plus petit avec cette approche ciblée. "

Le travail jusqu'à présent est théorique, et l'équipe travaille activement sur une démonstration en laboratoire de ce principe en action. Si cela fonctionne comme prévu, cela pourrait constituer un élément important des futures technologies quantiques de divers types, disent les chercheurs, y compris les ordinateurs quantiques qui pourraient potentiellement résoudre des problèmes auparavant insolubles, ou des systèmes de communications quantiques qui pourraient être immunisés contre l'espionnage, ou des systèmes de capteurs très sensibles.

"C'est un composant qui peut être utilisé de plusieurs manières, " Layden dit. "C'est comme si nous développions un élément clé d'un moteur. Nous sommes encore loin de construire une voiture complète, mais nous avons fait des progrès sur une partie critique."

"La correction d'erreurs quantiques est le prochain défi pour le domaine, " dit Alexandre Blais, professeur de physique à l'Université de Sherbrooke, au Canada, qui n'était pas associé à ce travail. "La complexité des codes correcteurs d'erreurs quantiques actuels est, cependant, intimidants car ils nécessitent un très grand nombre de qubits pour coder de manière robuste les informations quantiques. »

Blais ajoute, « Nous avons maintenant réalisé qu'exploiter notre compréhension des dispositifs dans lesquels la correction d'erreur quantique doit être mise en œuvre peut être très avantageux. Ce travail apporte une contribution importante dans cette direction en montrant qu'un type commun d'erreur peut être corrigé dans d'une manière beaucoup plus efficace que prévu. Pour que les ordinateurs quantiques deviennent pratiques, nous avons besoin de plus d'idées comme celle-ci. "

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.