Un défi technique majeur pour toute pratique, L'ordinateur quantique du monde réel vient du besoin d'un grand nombre de qubits physiques pour traiter les erreurs qui s'accumulent pendant le calcul. Une telle correction d'erreur quantique est gourmande en ressources et en temps de calcul. Mais les chercheurs ont trouvé une méthode logicielle efficace qui permet une compression importante des circuits quantiques, assouplir les exigences imposées au développement du matériel.

Les ordinateurs quantiques sont peut-être encore loin d'une réalité commerciale, mais ce que l'on appelle « l'avantage quantique » - la capacité d'un ordinateur quantique à calculer des centaines ou des milliers de fois plus rapidement qu'un ordinateur classique - a en effet été obtenu sur ce que l'on appelle les dispositifs Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) dans les premières preuves de -expériences de principe.

Malheureusement, Les périphériques NISQ sont toujours sujets à de nombreuses erreurs qui s'accumulent au cours de leur fonctionnement. Pour qu'il y ait une application réelle de l'avantage quantique, la conception d'un ordinateur quantique à grande échelle pleinement opérationnel avec une tolérance d'erreur élevée est requise. Actuellement, Les appareils NISQ peuvent être conçus avec environ 100 qubits, mais les ordinateurs tolérants aux pannes auraient besoin de millions de qubits physiques à tout le moins pour coder les informations logiques avec des taux d'erreur suffisamment faibles. Une mise en œuvre tolérante aux pannes des circuits de calcul quantique rend non seulement l'ordinateur quantique plus grand, mais aussi la durée d'exécution plus longue par ordre de grandeur. Un temps d'exécution étendu lui-même signifie que le calcul est encore plus sensible aux erreurs.

Bien que les progrès du matériel puissent combler ce manque de ressources, des chercheurs du National Institute of Informatics (NII) et de la Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) au Japon ont abordé le problème du côté du développement logiciel en compressant des circuits quantiques dans des ordinateurs quantiques à grande échelle tolérants aux pannes, réduisant potentiellement le besoin d'améliorations matérielles.

"En compressant les circuits quantiques, nous pourrions réduire la taille de l'ordinateur quantique et son temps d'exécution, ce qui à son tour réduit l'exigence de protection contre les erreurs, " a déclaré Michael Hanks, chercheur au NII et l'un des auteurs d'un article, publié le 11 novembre dans Examen physique X .

Les architectures informatiques quantiques à grande échelle dépendent d'un code de correction d'erreurs pour fonctionner correctement, dont le plus couramment utilisé est le code de surface et ses variantes.

Les chercheurs se sont concentrés sur la compression de circuit d'une de ces variantes :le code topologique 3-D. Ce code se comporte particulièrement bien pour les approches informatiques quantiques distribuées et a une large applicabilité à différentes variétés de matériel. Dans le code topologique 3-D, les circuits quantiques ressemblent à des tubes ou tuyaux entrelacés, et sont communément appelés "circuits tressés. Les schémas 3-D des circuits tressés peuvent être manipulés pour comprimer et ainsi réduire le volume qu'ils occupent. Jusqu'à présent, le défi a été qu'une telle "manipulation des tuyaux" est effectuée de manière ad hoc. De plus, il n'y a eu que des règles partielles sur la façon de procéder.

"Les approches de compression précédentes ne peuvent garantir si le circuit quantique résultant est correct, " a déclaré la co-auteur Marta Estarellas, chercheur au NII. "Il faut être très prudent pour vérifier son exactitude à chaque fois qu'une de ces règles de compression est appliquée. C'est une question importante, car une telle tâche est aussi difficile que de faire fonctionner l'ensemble du circuit quantique."

L'équipe de recherche propose l'utilisation du ZX-calcul comme langage pour cette étape intermédiaire de compilation. Le ZX-calcul est un langage schématique 2-D (utilisant des diagrammes et des images au lieu de mots) développé à la fin des années 2000 expressément pour permettre une représentation intuitive des processus qubit. Plus important, il est livré avec un ensemble complet de règles de manipulation.

Dans leur papier, les chercheurs exploitent le ZX-calcul en découvrant les relations de traduction entre le ZX-calcul et les composants du circuit tressé. Les chercheurs ont montré que ces deux représentations des circuits de portes logiques peuvent être mappées l'une à l'autre en identifiant une nouvelle interprétation qui avait toujours été cachée dans le calcul ZX.

Le langage de calcul ZX peut appliquer un ensemble de règles de transformation pour modifier la structure du circuit sans altérer sa signification mathématique sous-jacente (et donc son fonctionnement) et donc assurer son exactitude. En modifiant soigneusement cette structure conceptuelle, le volume du circuit peut être minimisé, atteindre des taux de compression considérables une fois que cette nouvelle structure est mappée sur le circuit quantique tressé réel.

En appliquant cette technique, les chercheurs signalent des réductions de compression allant jusqu'à 77 %, équivalent à une réduction de 40 pour cent par rapport aux meilleurs efforts précédents.

"La méthode de compression et son développement ultérieur pourraient permettre la réalisation d'un ordinateur quantique réel tolérant aux pannes des années avant la date prévue, " a déclaré William J. Munro, chercheur à NTT, qui a également contribué à la recherche.

"De façon intéressante, cela pourrait également être la base du développement futur du système d'exploitation, " a déclaré Kae Nemoto, Directeur du Global Research Center for Quantum Information Science au NII. « Il pourrait encore falloir de nombreuses années pour que ces développements logiciels soient mis en œuvre dans des ordinateurs quantiques entièrement évolutifs, mais notre méthode pourrait économiser beaucoup d'efforts associés au développement du matériel dans l'intervalle."