Indépendamment de ce qui compose les entrailles d'un ordinateur quantique, ses calculs rapides se résument tous à des séquences d'instructions simples appliquées aux qubits, les unités d'information de base à l'intérieur d'un ordinateur quantique.

Que cet ordinateur soit construit à partir de chaînes d'ions, jonctions de supraconducteurs, ou puces de silicium, il s'avère qu'une poignée d'opérations simples, qui n'affectent qu'un ou deux qubits à la fois, peut se mélanger et s'assortir pour créer n'importe quel programme informatique quantique, une caractéristique qui rend une poignée particulière « universelle ». Les scientifiques appellent ces opérations simples portes quantiques, et ils ont passé des années à optimiser la façon dont les barrières s'emboîtent. Ils ont réduit le nombre de portes (et de qubits) requis pour un calcul donné et ont découvert comment le faire tout en s'assurant que les erreurs ne se glissent pas et ne provoquent pas d'échec.

Maintenant, les chercheurs de JQI ont découvert des moyens de mettre en œuvre des portes résistantes aux erreurs utilisant juste un nombre constant de blocs de construction simples, réalisant essentiellement la meilleure réduction possible dans un paramètre appelé profondeur de circuit. Leurs découvertes, qui s'appliquent aux ordinateurs quantiques basés sur des codes correcteurs d'erreurs quantiques topologiques, ont été rapportés dans deux articles publiés récemment dans des revues Lettres d'examen physique et Examen physique B , et développé dans un troisième article publié plus tôt dans la revue Quantum.

La profondeur du circuit compte le nombre de portes qui affectent chaque qubit, et une profondeur constante signifie que le nombre de portes nécessaires pour une opération donnée n'augmentera pas au fur et à mesure que l'ordinateur grandit, une nécessité si l'on veut éviter les erreurs. Il s'agit d'une fonctionnalité prometteuse pour les ordinateurs quantiques robustes et universels, dit Maissam Barkeshli, membre du JQI et professeur agrégé de physique à l'Université du Maryland (UMD).

"Nous avons découvert qu'une énorme classe d'opérations dans les états topologiques de la matière et des codes de correction d'erreurs topologiques peuvent être implémentées via des circuits unitaires à profondeur constante, " dit Barkeshli, qui est également membre du Condensed Matter Theory Center de l'UMD.

Contrairement à d'autres types d'ordinateurs quantiques, les ordinateurs quantiques construits sur la correction d'erreur topologique - qui jusqu'à présent n'ont été étudiés que théoriquement - ne stockent pas d'informations dans des qubits physiques individuels. Au lieu, ils étalent la valeur d'un seul qubit d'informations parmi un réseau de nombreux qubits - ou, plus exotique, à travers des matériaux topologiques spéciaux.

Ce maculage d'informations offre une résistance contre des fragments de lumière parasites ou de minuscules vibrations - des perturbations quantiques pouvant provoquer des erreurs - et il permet de détecter de petites erreurs puis de les corriger activement au cours d'un calcul. C'est l'un des principaux avantages offerts par les ordinateurs quantiques basés sur la correction d'erreur topologique. Mais l'avantage a un prix :si le bruit ne parvient pas facilement à l'information, vous non plus.

Jusqu'à présent, il semblait que l'exploitation d'un tel ordinateur quantique nécessitait de petits, modifications séquentielles du réseau qui stocke les informations, souvent représentées sous la forme d'une grille ou d'un treillis en deux dimensions. À l'heure, ces petits changements s'additionnent et déplacent efficacement une région du réseau en boucle autour d'une autre région, laissant le réseau avec le même aspect qu'au début.

Ces transformations du réseau sont appelées tresses car les motifs qu'elles tracent dans l'espace et dans le temps ressemblent à des cheveux tressés ou à une miche de pain tressée. Si vous imaginez empiler des instantanés du réseau comme des crêpes, ils formeront pas à pas une tresse abstraite. Selon la physique sous-jacente du réseau, y compris les types de particules, appelé anyons, qui peut sauter dessus - ces tresses peuvent suffire à exécuter n'importe quel programme quantique.

Dans le nouveau travail, les auteurs ont montré que le tressage peut être réalisé presque instantanément. Fini les diagrammes noués, remplacés par des réarrangements in situ du réseau.

"C'était une sorte de dogme de manuel que ces tresses ne peuvent être faites que de manière adiabatique ou très lentement afin d'éviter de créer des erreurs dans le processus, " dit Guanyu Zhu, un ancien chercheur postdoctoral JQI qui est actuellement membre du personnel de recherche au IBM Thomas J. Watson Research Center. "Toutefois, dans ce travail, nous nous sommes rendus compte qu'au lieu de déplacer lentement des régions avec n'importe qui les unes autour des autres, nous pourrions simplement étirer ou comprimer l'espace entre eux en un nombre constant d'étapes."

La nouvelle recette nécessite deux ingrédients. L'une est la possibilité d'apporter des modifications locales qui reconfigurent les interactions entre les qubits physiques qui composent le réseau. Cette partie n'est pas trop différente de ce que nécessite un tressage ordinaire, mais il est supposé se produire en parallèle à travers la région tressée. Le deuxième ingrédient est la possibilité d'échanger les informations sur les qubits physiques qui ne sont pas proches les uns des autres, potentiellement même aux coins opposés de la région de tressage.

Cette deuxième exigence est une grande demande pour du matériel informatique quantique, mais les auteurs disent qu'il existe des systèmes qui pourraient naturellement le soutenir.

« Une variété de plates-formes expérimentales avec une connectivité à longue portée pourraient soutenir notre programme, y compris les pièges à ions, circuits QED avec résonateurs à longue ligne de transmission, architectures modulaires à cavités supraconductrices, et dispositifs photoniques au silicium, " dit Zhu. " Ou vous pourriez imaginer utiliser des plates-formes avec des qubits mobiles. On peut penser à de telles plates-formes comme des ordinateurs quantiques fluides, où les qubits peuvent circuler librement via le mouvement classique."

Dans le journal de Lettres d'examen physique , les auteurs ont fourni des instructions explicites sur la façon de réaliser leurs tresses instantanées dans une classe particulière de codes quantiques topologiques. Dans le Examen physique B et Quantum papiers, ils ont étendu ce résultat à un cadre plus général et ont même examiné comment il s'appliquerait à un code topologique dans l'espace hyperbolique (où, en outre, l'ajout d'un nouveau qubit étalé nécessite l'ajout d'un nombre constant de qubits physiques au réseau).

Les auteurs n'ont pas encore déterminé comment leurs nouvelles techniques de tressage s'intégreront aux objectifs supplémentaires de détection et de correction des erreurs; cela reste un problème ouvert pour de futures recherches.

"Nous espérons que nos résultats pourront finalement être utiles pour établir la possibilité d'un calcul quantique tolérant aux pannes avec une surcharge spatio-temporelle constante, " dit Barkeshli.