Les chercheurs du MIT ont introduit une architecture informatique quantique qui peut effectuer des calculs quantiques à faible erreur tout en partageant rapidement les informations quantiques entre les processeurs. Le travail représente une avancée clé vers une plate-forme complète d'informatique quantique.

Avant cette découverte, les processeurs quantiques à petite échelle ont effectué avec succès des tâches à une vitesse exponentiellement plus rapide que celle des ordinateurs classiques. Cependant, il a été difficile de communiquer de manière contrôlable des informations quantiques entre des parties distantes d'un processeur. Dans les ordinateurs classiques, les interconnexions câblées sont utilisées pour acheminer les informations dans les deux sens à travers un processeur au cours d'un calcul. Dans un ordinateur quantique, cependant, l'information elle-même est quantique mécanique et fragile, nécessitant des stratégies fondamentalement nouvelles pour traiter et communiquer simultanément des informations quantiques sur une puce.

"L'un des principaux défis de la mise à l'échelle des ordinateurs quantiques est de permettre aux bits quantiques d'interagir les uns avec les autres lorsqu'ils ne sont pas co-localisés, " dit William Oliver, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique, Boursier du laboratoire MIT Lincoln, et directeur associé du Laboratoire de recherche en électronique. "Par exemple, les qubits les plus proches peuvent interagir facilement, mais comment puis-je créer des « interconnexions quantiques » qui connectent des qubits à des emplacements distants ?"

La réponse réside dans le dépassement des interactions lumière-matière conventionnelles.

Alors que les atomes naturels sont petits et ponctuels par rapport à la longueur d'onde de la lumière avec laquelle ils interagissent, dans un article publié dans la revue La nature , les chercheurs montrent que ce n'est pas nécessairement le cas pour les "atomes artificiels" supraconducteurs. Au lieu, ils ont construit des "atomes géants" à partir de bits quantiques supraconducteurs, ou qubits, connecté en configuration accordable à une ligne de transmission hyperfréquence, ou guide d'onde.

Cela permet aux chercheurs d'ajuster la force des interactions qubit-guide d'onde afin que les qubits fragiles puissent être protégés de la décohérence, ou une sorte de décroissance naturelle qui serait autrement accélérée par le guide d'ondes, pendant qu'ils effectuent des opérations de haute fidélité. Une fois ces calculs effectués, la force des couplages qubit-guide d'onde est réajustée, et les qubits sont capables de libérer des données quantiques dans le guide d'ondes sous forme de photons, ou des particules légères.

"Le couplage d'un qubit à un guide d'ondes est généralement assez mauvais pour les opérations de qubit, car cela peut réduire considérablement la durée de vie du qubit, " dit Bharath Kannan, Diplômé du MIT et premier auteur de l'article. "Toutefois, le guide d'ondes est nécessaire pour libérer et acheminer les informations quantiques à travers le processeur. Ici, nous avons montré qu'il est possible de préserver la cohérence du qubit même s'il est fortement couplé à un guide d'onde. Nous avons alors la possibilité de déterminer quand nous voulons libérer les informations stockées dans le qubit. Nous avons montré comment des atomes géants peuvent être utilisés pour activer et désactiver l'interaction avec le guide d'ondes."

Le système réalisé par les chercheurs représente un nouveau régime d'interactions lumière-matière, disent les chercheurs. Contrairement aux modèles qui traitent les atomes comme des objets ponctuels plus petits que la longueur d'onde de la lumière avec laquelle ils interagissent, les qubits supraconducteurs, ou des atomes artificiels, sont essentiellement de grands circuits électriques. Lorsqu'il est couplé avec le guide d'ondes, ils créent une structure aussi grande que la longueur d'onde de la lumière micro-onde avec laquelle ils interagissent.

L'atome géant émet ses informations sous forme de photons micro-ondes à plusieurs endroits le long du guide d'ondes, de sorte que les photons interfèrent les uns avec les autres. Ce processus peut être réglé pour compléter l'interférence destructive, ce qui signifie que les informations contenues dans le qubit sont protégées. Par ailleurs, même lorsqu'aucun photon n'est réellement libéré de l'atome géant, plusieurs qubits le long du guide d'ondes sont toujours capables d'interagir les uns avec les autres pour effectuer des opérations. Tout au long de, les qubits restent fortement couplés au guide d'onde, mais à cause de ce type d'interférence quantique, ils peuvent en rester insensibles et être protégés de la décohérence, tandis que les opérations à un ou deux qubits sont effectuées avec une haute fidélité.

"Nous utilisons les effets d'interférence quantique activés par les atomes géants pour empêcher les qubits d'émettre leurs informations quantiques vers le guide d'ondes jusqu'à ce que nous en ayons besoin." dit Olivier.

"Cela nous permet de sonder expérimentalement un nouveau régime de physique difficile d'accès avec les atomes naturels, " dit Kannan. " Les effets de l'atome géant sont extrêmement nets et faciles à observer et à comprendre. "

Le travail semble avoir beaucoup de potentiel pour d'autres recherches, ajoute Kannan.

"Je pense que l'une des surprises est en fait la relative facilité avec laquelle les qubits supraconducteurs sont capables d'entrer dans ce régime d'atomes géants." il dit. "Les astuces que nous avons utilisées sont relativement simples et, En tant que tel, on peut imaginer l'utiliser pour d'autres applications sans trop de frais supplémentaires."

Le temps de cohérence des qubits incorporés aux atomes géants, c'est-à-dire le temps où ils sont restés dans un état quantique, était d'environ 30 microsecondes, presque la même pour les qubits non couplés à un guide d'onde, qui ont une plage comprise entre 10 et 100 microsecondes, selon les chercheurs.

En outre, la recherche démontre des opérations d'enchevêtrement de deux qubits avec une fidélité de 94 %. C'est la première fois que des chercheurs citent une fidélité à deux qubits pour des qubits fortement couplés à un guide d'ondes, car la fidélité de telles opérations utilisant de petits atomes conventionnels est souvent faible dans une telle architecture. Avec plus d'étalonnage, procédures de mise au point des opérations et conception matérielle optimisée, Kannan dit, la fidélité peut être encore améliorée.