Même si les ordinateurs quantiques sont une technologie jeune et ne sont pas encore prêts pour une utilisation pratique courante, les chercheurs ont déjà étudié les contraintes théoriques qui vont lier les technologies quantiques. L'une des choses que les chercheurs ont découvertes est qu'il y a des limites à la vitesse à laquelle l'information quantique peut traverser n'importe quel appareil quantique.

Ces limitations de vitesse sont appelées limites de Lieb-Robinson, et, pour plusieurs années, certaines des limites ont nargué les chercheurs. Pour certaines tâches, il y avait un écart entre les meilleures vitesses permises par la théorie et les vitesses possibles avec les meilleurs algorithmes que quiconque ait conçus. C'est comme si aucun constructeur automobile ne savait comment fabriquer un modèle qui atteindrait la limite des autoroutes locales.

Mais contrairement aux limitations de vitesse sur les routes, les limites de vitesse de l'information ne peuvent pas être ignorées lorsque vous êtes pressé - elles sont le résultat inévitable des lois fondamentales de la physique. Pour toute tâche quantique, il y a une limite à la rapidité avec laquelle les interactions peuvent faire sentir leur influence (et donc transférer des informations) à une certaine distance. Les règles sous-jacentes définissent les meilleures performances possibles. De cette façon, les limites de vitesse des informations ressemblent plus au score maximum d'un jeu d'arcade à l'ancienne qu'au code de la route, et atteindre le score ultime est un prix séduisant pour les scientifiques.

Désormais une équipe de chercheurs, dirigé par le boursier JQI Alexey Gorshkov, ont trouvé un protocole quantique qui atteint les limites de vitesse théoriques pour certaines tâches quantiques. Leur résultat fournit de nouvelles informations sur la conception d'algorithmes quantiques optimaux et prouve qu'il n'y a pas eu de baisse, limite non découverte contrecarrant les tentatives de faire de meilleures conceptions. Gorchkov, qui est également membre du Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) et physicien au National Institute of Standards and Technology, et ses collègues ont présenté leur nouveau protocole dans un article récent publié dans la revue Examen physique X .

"Cet écart entre les vitesses maximales et les vitesses réalisables nous avait agacés, parce que nous ne savions pas si c'était le lien qui était lâche, ou si nous n'étions pas assez intelligents pour améliorer le protocole, " dit Minh Tran, un étudiant diplômé JQI et QuICS qui était l'auteur principal de l'article. "En fait, nous ne nous attendions pas à ce que cette proposition soit aussi puissante. Et nous essayions beaucoup d'améliorer la limite - il s'est avéré que cela n'était pas possible. Alors, nous sommes ravis de ce résultat."

Sans surprise, la limite de vitesse théorique pour l'envoi d'informations dans un appareil quantique (comme un ordinateur quantique) dépend de la structure sous-jacente de l'appareil. Le nouveau protocole est conçu pour les appareils quantiques où les blocs de construction de base, les qubits, s'influencent mutuellement, même lorsqu'ils ne sont pas côte à côte. En particulier, l'équipe a conçu le protocole pour les qubits dont les interactions s'affaiblissent à mesure que la distance entre eux augmente. Le nouveau protocole fonctionne pour une gamme d'interactions qui ne s'affaiblissent pas trop rapidement, qui couvre les interactions dans de nombreux blocs de construction pratiques des technologies quantiques, y compris les centres de vacance d'azote, atomes de Rydberg, molécules polaires et ions piégés.

Surtout, le protocole peut transférer des informations contenues dans un état quantique inconnu vers un qubit distant, une caractéristique essentielle pour obtenir bon nombre des avantages promis par les ordinateurs quantiques. Cela limite la manière dont les informations peuvent être transférées et exclut certaines approches directes, comme simplement créer une copie des informations au nouvel emplacement. (Cela nécessite de connaître l'état quantique que vous transférez.)

Dans le nouveau protocole, les données stockées sur un qubit sont partagées avec ses voisins, en utilisant un phénomène appelé intrication quantique. Puis, puisque tous ces qubits aident à transporter l'information, ils travaillent ensemble pour l'étendre à d'autres ensembles de qubits. Parce que plus de qubits sont impliqués, ils transfèrent les informations encore plus rapidement.

Ce processus peut être répété pour continuer à générer des blocs de qubits plus volumineux qui transmettent les informations de plus en plus rapidement. Ainsi, au lieu de la méthode simple consistant à transmettre les informations un par un, comme une équipe de basket-ball passant le ballon sur le terrain, les qubits ressemblent davantage à des flocons de neige qui se combinent en une boule de neige plus grande et roulant plus rapidement à chaque étape. Et plus la boule de neige est grosse, plus les flocons collent à chaque révolution.

Mais c'est peut-être là que s'arrêtent les similitudes avec les boules de neige. Contrairement à une vraie boule de neige, la collection quantique peut aussi se dérouler. L'information est laissée sur le qubit distant lorsque le processus s'exécute en sens inverse, retournant tous les autres qubits à leurs états d'origine.

Lorsque les chercheurs ont analysé le processus, ils ont découvert que les qubits boule de neige accélèrent le long de l'information aux limites théoriques autorisées par la physique. Puisque le protocole atteint la limite précédemment prouvée, aucun futur protocole ne devrait pouvoir le surpasser.

"Le nouvel aspect est la façon dont nous enchevêtrons deux blocs de qubits, " Tran dit. "Auparavant, il y avait un protocole qui enchevêtrait les informations dans un bloc, puis essayait de fusionner les qubits du deuxième bloc un par un. Mais maintenant parce que nous enchevêtrons également les qubits dans le deuxième bloc avant de les fusionner dans le premier bloc, l'amélioration sera plus grande."

Le protocole est le résultat de l'exploration par l'équipe de la possibilité de déplacer simultanément des informations stockées sur plusieurs qubits. Ils ont réalisé que l'utilisation de blocs de qubits pour déplacer des informations améliorerait la vitesse d'un protocole.

« Côté pratique, le protocole nous permet non seulement de propager des informations, mais aussi enchevêtrer les particules plus rapidement, " dit Tran. " Et nous savons qu'en utilisant des particules intriquées, vous pouvez faire beaucoup de choses intéressantes comme mesurer et détecter avec une plus grande précision. Et déplacer les informations rapidement signifie également que vous pouvez traiter les informations plus rapidement. Il y a beaucoup d'autres goulots d'étranglement dans la construction d'ordinateurs quantiques, mais au moins du côté des limites fondamentales, nous savons ce qui est possible et ce qui ne l'est pas."

En plus des connaissances théoriques et des applications technologiques possibles, les résultats mathématiques de l'équipe révèlent également de nouvelles informations sur la taille d'un calcul quantique nécessaire pour simuler des particules avec des interactions comme celles des qubits dans le nouveau protocole. Les chercheurs espèrent explorer les limites d'autres types d'interactions et explorer d'autres aspects du protocole, tels que sa robustesse contre le bruit perturbant le processus.