La technologie derrière les ordinateurs quantiques du futur se développe rapidement, avec plusieurs approches différentes en cours. De nombreuses stratégies, ou "plans, " pour les ordinateurs quantiques s'appuient sur des atomes ou des circuits électriques artificiels semblables à des atomes. Dans une nouvelle étude théorique publiée dans le journal Examen physique X , un groupe de physiciens de Caltech démontre les avantages d'une approche moins étudiée qui ne repose pas sur des atomes mais sur des molécules.

« Dans le monde quantique, nous avons plusieurs plans sur la table et nous les améliorons tous simultanément, " dit l'auteur principal Victor Albert, le chercheur postdoctoral Lee A. DuBridge en physique théorique. "Les gens pensent à utiliser des molécules pour coder des informations depuis 2001, mais maintenant nous montrons comment les molécules, qui sont plus complexes que les atomes, pourrait conduire à moins d'erreurs dans l'informatique quantique."

Au cœur des ordinateurs quantiques se trouvent ce que l'on appelle les qubits. Ceux-ci sont similaires aux bits des ordinateurs classiques, mais contrairement aux bits classiques, ils peuvent expérimenter un phénomène bizarre connu sous le nom de superposition dans lequel ils existent dans deux états ou plus à la fois. Comme la célèbre expérience de pensée du chat de Schrödinger, qui décrit un chat à la fois mort et vivant, les particules peuvent exister dans plusieurs états à la fois. Le phénomène de superposition est au cœur de l'informatique quantique :le fait que les qubits puissent prendre plusieurs formes simultanément signifie qu'ils ont une puissance de calcul exponentiellement supérieure à celle des bits classiques.

Mais l'état de superposition est délicat, comme les qubits ont tendance à s'effondrer hors de leurs états souhaités, et cela conduit à des erreurs de calcul.

« En informatique classique, vous devez vous soucier du retournement des bits, dans lequel un bit '1' passe à un '0' ou vice versa, qui provoque des erreurs, " dit Albert. " C'est comme lancer une pièce, et c'est difficile à faire. Mais en informatique quantique, les informations sont stockées dans des superpositions fragiles, et même l'équivalent quantique d'une rafale de vent peut conduire à des erreurs."

Cependant, si une plate-forme informatique quantique utilise des qubits constitués de molécules, disent les chercheurs, ces types d'erreurs sont plus susceptibles d'être évités que dans d'autres plates-formes quantiques. L'un des concepts derrière la nouvelle recherche provient des travaux effectués il y a près de 20 ans par les chercheurs de Caltech, John Preskill, Richard P. Feynman Professeur de physique théorique et directeur de l'Institute of Quantum Information and Matter (IQIM), et Alexeï Kitaïev, le professeur Ronald et Maxine Linde de physique théorique et de mathématiques à Caltech, avec leur collègue Daniel Gottesman (Ph.D. '97) du Perimeter Institute en Ontario, Canada. À l'époque, les scientifiques ont proposé une échappatoire qui permettrait de contourner un phénomène appelé principe d'incertitude de Heisenberg, qui a été introduit en 1927 par le physicien allemand Werner Heisenberg. Le principe stipule qu'on ne peut pas savoir simultanément avec une très grande précision à la fois où se trouve une particule et où elle va.

"Il y a une blague où Heisenberg se fait arrêter par un policier qui dit qu'il sait que la vitesse d'Heisenberg était de 90 miles par heure, et Heisenberg répond, 'Maintenant, je n'ai aucune idée d'où je suis, '", dit Albert.

Le principe d'incertitude est un défi pour les ordinateurs quantiques car il implique que les états quantiques des qubits ne peuvent pas être suffisamment connus pour déterminer si des erreurs se sont produites ou non. Cependant, Gottesman, Kitaïev, et Preskill a compris que si la position exacte et la quantité de mouvement d'une particule ne pouvaient pas être mesurées, il a été possible de détecter de très petits changements dans sa position et son élan. Ces décalages pourraient révéler qu'une erreur s'est produite, permettant de remettre le système dans l'état correct. Ce schéma de correction d'erreurs, connu sous le nom de GKP du nom de ses découvreurs, a récemment été mis en œuvre dans des dispositifs de circuits supraconducteurs.

"Les erreurs sont acceptables, mais seulement si nous savons qu'elles se produisent, " dit Preskill, co-auteur de l'article Physical Review X et également coordinateur scientifique d'un nouveau centre scientifique financé par le ministère de l'Énergie, appelé Quantum Systems Accelerator. "Le but de la correction d'erreurs est de maximiser la quantité de connaissances que nous avons sur les erreurs potentielles."

Dans le nouveau journal, ce concept est appliqué aux molécules en rotation en superposition. Si l'orientation ou le moment angulaire de la molécule se décale légèrement, ces décalages peuvent être corrigés simultanément.

"Nous voulons suivre l'information quantique au fur et à mesure qu'elle évolue sous le bruit, " dit Albert. " Le bruit nous bouscule un peu. Mais si nous avons une superposition soigneusement choisie des états des molécules, nous pouvons mesurer à la fois l'orientation et le moment angulaire tant qu'ils sont suffisamment petits. Et ensuite, nous pouvons remettre le système en place pour compenser. »

Jacob Covey, co-auteur de l'article et ancien chercheur postdoctoral Caltech qui a récemment rejoint la faculté de l'Université de l'Illinois, dit qu'il pourrait être possible à terme de contrôler individuellement des molécules à utiliser dans des systèmes d'information quantique tels que ceux-ci. Lui et son équipe ont fait des progrès dans l'utilisation de faisceaux laser optiques, ou "pince à épiler, " pour contrôler des atomes neutres uniques (les atomes neutres sont une autre plate-forme prometteuse pour les systèmes d'information quantique).

"L'attrait des molécules est qu'elles sont des structures très complexes qui peuvent être très denses, " dit Covey. " Si nous pouvons comprendre comment utiliser les molécules dans l'informatique quantique, nous pouvons encoder les informations de manière robuste et améliorer l'efficacité dans laquelle les qubits sont emballés."

Albert dit que le trio de lui-même, Pré-qualification, et Covey a fourni la combinaison parfaite d'expertise théorique et expérimentale pour obtenir les derniers résultats. Lui et Preskill sont tous deux des théoriciens tandis que Covey est un expérimentateur. "C'était vraiment sympa d'avoir quelqu'un comme John pour m'aider avec le cadre de toute cette théorie des codes de correction d'erreurs, et Jake nous a donné des conseils cruciaux sur ce qui se passe dans les laboratoires."

Dit Preskill, "C'est un article qu'aucun de nous trois n'aurait pu écrire seul. Ce qui est vraiment amusant dans le domaine de l'information quantique, c'est qu'il nous encourage à interagir à travers certaines de ces divisions, et Caltech, avec sa petite taille, est l'endroit idéal pour y parvenir."

Les Examen physique X L'étude est intitulée « Encodage robuste d'un qubit dans une molécule ».