Lorsque les ordinateurs partagent des informations entre eux, l'information est codée en bits, puis décodé dans sa forme originale. Dans le processus, des éléments d'information sont parfois brouillés, ou perdu. A titre d'exemple simplifié, un e-mail mal décodé qui dit « Je vous envoie maintenant l'argent » pourrait arriver à destination en disant « Je ne vous envoie pas l'argent ».

Autre exemple :lorsque vous enregistrez un document sur votre ordinateur, vous vous attendez à ce qu'il contienne les mêmes informations lorsque vous le rouvrez. Et, si vous demandez à un ordinateur de résoudre l'équation 2+2, vous devez avoir confiance qu'il va cracher 4. Ceci est encore plus important pour les équations complexes que vous ne pouvez pas calculer vous-même, comme les valeurs de x, y et z dans l'équation diophantienne x ³ + oui ³ + z ³ =42.

Vasique Fléau, professeur d'ingénierie électrique et informatique et directeur du laboratoire de correction d'erreurs du Collège d'ingénierie de l'Université de l'Arizona, spécialisé dans les codes correcteurs d'erreurs, qui assurent que les informations partagées et calculées par les ordinateurs sont correctement décodées avant d'arriver à destination. Il étudie également la tolérance aux pannes, ou la capacité d'un ordinateur ou d'un réseau d'ordinateurs à continuer de fonctionner lorsqu'un ou plusieurs de ses composants tombent en panne.

Vasic a joué un rôle déterminant dans le développement d'une classe de codes de correction d'erreurs, appelés codes de contrôle de parité à faible densité, ou codes LDPC - largement utilisés dans les communications classiques et le stockage de données. Dans un projet financé par 1,1 million de dollars de la National Science Foundation, Vasic s'associe à Saikat Guha du James C. Wyant College of Optical Sciences pour tester pour la première fois la faisabilité des codes quantiques LDPC dans les ordinateurs quantiques.

Appliquer une technique classique aux réseaux quantiques

Tandis que x ³ + oui ³ + z ³ =42 est une équation complexe, il est possible de résoudre pour x, y et z avec le calcul classique. En réalité, en 2019, un groupe de scientifiques a utilisé un réseau d'ordinateurs classiques pour faire exactement cela. Il a fallu plus d'un million d'heures de calcul. L'informatique quantique a le potentiel de résoudre des équations comme celle-ci en quelques secondes seulement.

"Grâce à l'informatique quantique, nous pourrons analyser des phénomènes très compliqués, et pour résoudre des problèmes qui ne sont pas résolus par les ordinateurs classiques. Et cela se fera très vite, " dit Vasic. " Il y a des applications en biologie; Médicament; finances; la simulation de physique, systèmes chimiques et biologiques; la découverte de nouveaux matériaux; et la conception de molécules."

Comment est-ce possible? L'informatique classique stocke les informations dans des unités appelées bits, qui existent sous forme de 0 ou de 1. L'informatique quantique utilise des unités appelées qubits, qui peut exister dans plusieurs états simultanément. La superposition d'états est ce qui permet des ultra-rapides, informatique futuriste. Cependant, comme les qubits sont physiquement réalisés comme des particules subatomiques, cet état est très fragile à créer et à maintenir, rendre les qubits plus sujets aux erreurs, ou décohérence, que des bits.

Les physiciens théoriciens spéculent maintenant que les qubits sont aussi ce qui compose l'espace-temps, ou le tissu de l'univers. Et des recherches récentes ont indiqué que la correction d'erreur quantique explique pourquoi l'espace-temps est si robuste, malgré ses briques fragiles.

En réalité, les qubits sont si sensibles que le simple fait de les mesurer peut provoquer des changements. Présentement, la correction d'erreur quantique implique d'abord d'observer attentivement les qubits et d'enregistrer les résultats en tant qu'informations classiques. Puis, un ordinateur classique calcule ce qui ne va pas, et les scientifiques transfèrent les informations de correction d'erreur au système quantique.

"Dans ce projet, nous étudions des méthodes où nous ne quittons pas le monde quantique, donc toutes les opérations seront aussi quantiques, " a déclaré Vasic. "Nous voulons explorer si le décodage peut être effectué en traitant des informations quantiques."

Passer des messages pour atténuer le bruit

Les ordinateurs d'aujourd'hui sont constitués de milliards de blocs de construction de base appelés portes logiques. Ces portes appliquent différentes opérations aux informations binaires en cours de traitement. Par exemple, l'un des types de portes les plus simples est une porte NON, qui transforme les bits en leurs opposés en prenant des 0 et en produisant des 1 et vice versa. Cependant, Parfois, les interférences du signal et le bruit font que les portes font des erreurs, ce qui conduit à des résultats incorrects. Les portes quantiques effectuent des opérations plus polyvalentes et exotiques que leurs parents classiques, mais sont plus bruyants et plus enclins à l'erreur.

Les codes de correction d'erreurs enchevêtrent les qubits d'une manière très spécifique afin que les qubits se stabilisent les uns les autres. Les décodeurs de Vasic permettent aux qubits de se transmettre des informations les uns sur les autres. Des algorithmes de transmission de messages similaires sont utilisés en intelligence artificielle. Aucun des bits individuels n'a une connaissance complète de la valeur des autres bits, mais ensemble, grâce à la transmission de messages, ils apprennent collectivement s'il y a des erreurs et exactement dans quels bits elles se trouvent. Ce nouveau projet se concentre sur le développement d'une version quantique de ces algorithmes d'intelligence artificielle.

« Le plus grand avantage des codes LDPC est qu'ils prennent en charge ce type d'algorithmes de transmission de messages, qui sont tolérants aux pannes, " dit Vasic. " Dans les systèmes quantiques, nous devons avoir une tolérance aux pannes, car, en raison du niveau de bruit plus élevé, Les portes quantiques sont de plusieurs ordres de grandeur plus bruyantes et moins fiables que les portes logiques classiques."

Vasic et plusieurs autres membres de la faculté d'ingénierie font également partie du tout nouveau Center for Quantum Networks, un quinquennat, 26 millions de dollars NSF Engineering Research Center dirigé par l'Université de l'Arizona. Le centre, réalisé par Guha, vise à jeter les bases de l'internet quantique, et la correction d'erreurs représente un élément essentiel de l'entreprise.

"C'est une pièce manquante pour réaliser des ordinateurs et des réseaux quantiques, " a déclaré Vasic. " Ces codes LDPC quantiques sont la prochaine génération de codes qui seront utilisés, mais nous devons développer des algorithmes pour décoder de manière efficace et tolérante aux pannes."

« Avec l'embauche récente de plusieurs nouveaux membres du corps professoral spécialisés en génie quantique, le collège et l'université se positionnent à l'avant-garde de ce domaine, " a déclaré David W. Hahn, Craig M. Berge doyen du College of Engineering. "Nous avons la chance d'avoir des chercheurs comme le Dr Vasic qui apportent leur expérience et leur expertise inestimable à la table."