Des scientifiques australiens ont développé une nouvelle approche pour réduire les erreurs qui affectent les ordinateurs quantiques expérimentaux; une étape qui pourrait éliminer un obstacle critique les empêchant de passer à des machines pleinement fonctionnelles.

En profitant de l'espace géométrique infini d'un système quantique particulier composé de bosons, les chercheurs, dirigé par le Dr Arne Grimsmo de l'Université de Sydney, ont développé des codes de correction d'erreurs quantiques qui devraient réduire le nombre de commutateurs quantiques physiques, ou qubits, nécessaires pour étendre ces machines à une taille utile.

« La beauté de ces codes est qu'ils sont « indépendants de la plate-forme » et peuvent être développés pour fonctionner avec une large gamme de systèmes matériels quantiques, " dit le Dr Grimsmo.

"De nombreux types différents de codes de correction d'erreur bosonique ont été démontrés expérimentalement, tels que « codes chat » et « codes binomiaux », " at-il dit. " Ce que nous avons fait dans notre document est d'unifier ces codes et d'autres dans un cadre commun. "

La recherche, publié cette semaine dans Examen physique X , a été rédigé conjointement avec le Dr Joshua Combes de l'Université du Queensland et le Dr Ben Baragiola de l'Université RMIT. La collaboration concerne deux centres de recherche quantique de premier plan en Australie, le Centre d'excellence ARC pour les machines quantiques d'ingénierie et le Centre d'excellence ARC pour le calcul quantique et les technologies de communication.

Qubits robustes

"Notre espoir est que la robustesse offerte par 'l'espacement des choses' dans un espace de Hilbert infini vous donne un qubit très robuste, car il peut tolérer des erreurs courantes comme la perte de photons, " a déclaré le Dr Grimsmo du Nano Institute et de la School of Physics de l'Université de Sydney.

Les scientifiques des universités et des entreprises technologiques du monde entier s'efforcent de construire un monde universel, ordinateur quantique tolérant aux pannes. La grande promesse de ces appareils est qu'ils pourraient être utilisés pour résoudre des problèmes hors de portée des supercalculateurs classiques dans des domaines aussi variés que la science des matériaux, découverte et sécurité de médicaments et cryptographie.

Avec Google l'année dernière déclarant avoir une machine qui a atteint la « suprématie quantique » - effectuant une tâche sans doute inutile mais au-delà de la portée d'un ordinateur classique - l'intérêt pour le domaine de l'informatique et de l'ingénierie quantiques continue de croître.

Mais pour construire une machine quantique capable de faire n'importe quoi d'utile, il en faudra des milliers, sinon des millions de bits quantiques fonctionnant sans être submergés d'erreurs.

Et les qubits sont, par leur nature même, sujet aux erreurs. La «quantité» qui leur permet d'effectuer un type d'opération informatique complètement différent signifie qu'ils sont très fragiles et sensibles aux interférences électromagnétiques et autres.

Identification, éliminer et réduire les erreurs dans le calcul quantique est l'une des tâches centrales auxquelles sont confrontés les physiciens travaillant dans ce domaine.

Des superpositions fragiles

Les ordinateurs quantiques exécutent leurs tâches en codant les informations en utilisant la superposition quantique, une facette fondamentale de la nature où le résultat final d'un système physique n'est pas résolu jusqu'à ce qu'il soit mesuré. Jusque-là, l'information existe dans un état de multiples résultats possibles.

Le Dr Grimsmo a déclaré :« L'un des défis les plus fondamentaux pour la réalisation des ordinateurs quantiques est la nature fragile des superpositions quantiques. Heureusement, il est possible de surmonter ce problème en utilisant la correction d'erreur quantique."

Cela se fait en encodant les informations de manière redondante, permettant la correction des erreurs telles qu'elles se produisent lors d'un calcul quantique. L'approche standard pour y parvenir consiste à utiliser un grand nombre de particules distinctes comme supports d'information. Des exemples courants sont les réseaux d'électrons, des ions piégés ou des circuits électriques quantiques.

Cependant, cela crée un vaste réseau de « qubits physiques » afin d'exploiter un seul, qubit logique qui effectue le travail de traitement dont vous avez besoin.

Ce besoin de créer un vaste réseau de qubits physiques pour prendre en charge le travail d'un seul qubit opérationnel est une barrière non négligeable à la construction de machines quantiques à grande échelle.

Des bosons indiscernables

Le Dr Grimsmo a déclaré :« Dans ce travail, nous considérons une approche alternative basée sur l'encodage d'informations quantiques dans des collections de bosons." Le type de boson le plus courant est le photon, un paquet d'énergie électromagnétique et de « particule lumineuse » sans masse.

En piégeant des bosons dans une micro-onde ou une cavité optique particulière, ils deviennent indiscernables les uns des autres, contrairement à, dire, un réseau d'ions piégés, identifiables par leur localisation.

"L'avantage de cette approche est qu'un grand nombre de bosons peuvent être piégés dans un seul système quantique comme des photons piégés dans une cavité optique ou micro-onde de haute qualité, " a déclaré le Dr Grimsmo. " Cela pourrait réduire considérablement le nombre de systèmes physiques nécessaires pour construire un ordinateur quantique. "

Les chercheurs espèrent que leurs travaux fondamentaux aideront à établir une feuille de route vers la tolérance aux pannes en informatique quantique.