Chercheurs du CSC - Centre informatique pour la science, L'Université Aalto et Åbo Akademi et leurs collaborateurs de l'Université de Boston aux États-Unis ont pour la première fois démontré comment le bruit a un impact systématique sur l'informatique quantique. Les résultats sont publiés dans la prestigieuse revue Lettres d'examen physique .

Dans un ordinateur classique, toutes les données sont décomposées en séquences de bits prenant les valeurs zéro et 1, et ces deux valeurs correspondent aux états "on" ou "off" des millions de minuscules commutateurs électroniques dans l'unité de traitement et la mémoire de l'ordinateur.

Selon les principes de la mécanique quantique, le concept de bit peut être généralisé à un "qubit, " dont l'état peut être à la fois zéro et un à la fois et de différentes manières (une superposition). Un ordinateur quantique peut être construit en utilisant un grand nombre de ces qubits, qui doivent être programmés à l'aide d'algorithmes et de langages complètement nouveaux. Un ordinateur quantique peut en principe être capable de résoudre des problèmes qui sont pratiquement impossibles à résoudre sur un ordinateur classique, par exemple, concevoir de nouvelles molécules ou matériaux aux propriétés souhaitées par des calculs au niveau atomique et électronique (ce qui lui-même nécessite l'utilisation de la mécanique quantique).

D'avoir été un concept théorique exploré principalement dans les laboratoires universitaires, les ordinateurs quantiques émergent maintenant rapidement sur la scène commerciale. Les machines disponibles sont encore largement expérimentales, et sont utilisés par les entreprises et les instituts de recherche pour explorer les applications potentielles et se préparer à l'ère prévue de la « suprématie quantique » (ce qui signifie que les ordinateurs quantiques deviennent plus puissants que les ordinateurs classiques, au moins pour certains problèmes).

Les qubits sont très sensibles au bruit

Un défi majeur est que les qubits sont très sensibles au bruit qui peut rapidement détruire leurs états de superposition quantique. Même si les appareils sont refroidis à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu de température pour minimiser le bruit provenant de l'environnement thermique, la durée de vie des états de superposition est encore très courte, souvent moins d'une microseconde.

Avec un type d'ordinateur quantique produit par la société canadienne D-Wave Systems, certains problèmes d'optimisation peuvent être résolus par le principe du recuit quantique. Ici, la propriété quantique des qubits est progressivement modifiée de manière à ce qu'ils finissent par "geler quantiquement" en solution du problème programmé sur l'appareil. Cependant, ce processus est sensible au bruit d'une manière qui n'est pas bien comprise.

Désormais, une équipe de chercheurs de trois institutions finlandaises (CSC, Université Aalto, et Abo Akademi University) et leurs collaborateurs de l'Université de Boston aux États-Unis ont pour la première fois démontré comment le bruit impacte un calcul de manière systématique. En faisant varier le temps sur lequel la propriété quantique des qubits est modifiée (de la microseconde à la milliseconde) et en étudiant différents nombres de qubits couplés dans un dispositif D-Wave, ils ont pu confirmer un principe général de création de défauts (c'est-à-dire des erreurs de calcul).

Selon ce principe, un temps de calcul plus long devrait donner un meilleur résultat, mais les chercheurs ont découvert que le bruit affecte négativement les résultats plus si le temps est plus long. Ils ont expliqué ce comportement par un modèle mathématique, qui sera un outil utile pour diagnostiquer les futurs dispositifs de recuit quantique et pour trouver les meilleures façons de les faire fonctionner.

Selon le membre de l'équipe Anders Sandvik (Université de Boston), les dispositifs de recuit quantique pourraient bientôt devenir des outils importants pour simuler les comportements quantiques de la matière, une fois que la quantité de bruit est encore réduite.

"Le travail réussi de l'équipe représente le premier effort de recherche finlandais majeur sur le paradigme de recuit quantique de l'informatique quantique, " a déclaré Jan Åström, membre de l'équipe du SCC. "L'informatique quantique évolue rapidement, et CSC prévoit d'autres projets pour promouvoir le développement de solides compétences finlandaises dans ce domaine critique de pointe de la science et de la technologie. »