Pobody est nerveux, pas même les indifférents, calculer les bits qui sont à la base des ordinateurs. Mais le groupe de JQI Fellow Christopher Monroe, avec des collègues de l'Université Duke, ont fait des progrès pour garantir que nous pouvons faire confiance aux résultats des ordinateurs quantiques même lorsqu'ils sont construits à partir de pièces qui échouent parfois. Ils ont montré dans une expérience, pour la première fois, qu'un assemblage de pièces d'informatique quantique peut être meilleur que les pires pièces utilisées pour le fabriquer. Dans un article publié dans la revue La nature le 4 octobre, 2021, l'équipe a expliqué comment elle a franchi cette étape décisive vers la fiabilité, ordinateurs quantiques pratiques.

Dans leur expérience, les chercheurs ont combiné plusieurs qubits - la version quantique des bits - de sorte qu'ils fonctionnent ensemble comme une seule unité appelée qubit logique. Ils ont créé le qubit logique basé sur un code de correction d'erreur quantique afin que, contrairement aux qubits physiques individuels, les erreurs peuvent être facilement détectées et corrigées, et ils l'ont rendu tolérant aux pannes, capable de contenir les erreurs pour minimiser leurs effets négatifs.

"Les qubits composés d'ions atomiques identiques sont nativement très propres par eux-mêmes, " dit Monroe, qui est également membre du Joint Center for Quantum Information and Computer Science et professeur à College Park au Département de physique de l'Université du Maryland. "Toutefois, à un moment donné, lorsque de nombreux qubits et opérations sont nécessaires, les erreurs doivent être encore réduites, et il est plus simple d'ajouter plus de qubits et d'encoder les informations différemment. La beauté des codes de correction d'erreurs pour les ions atomiques est qu'ils peuvent être très efficaces et peuvent être activés de manière flexible via des commandes logicielles."

C'est la première fois qu'un qubit logique s'avère plus fiable que l'étape la plus sujette aux erreurs requise pour le réaliser. L'équipe a réussi à mettre le qubit logique dans son état de départ et à le mesurer 99,4 % du temps, malgré le fait de s'appuyer sur six opérations quantiques qui, individuellement, ne devraient fonctionner qu'environ 98,9 % du temps.

Cela peut ne pas sembler être une grande différence, mais c'est une étape cruciale dans la quête pour construire des ordinateurs quantiques beaucoup plus gros. Si les six opérations quantiques étaient des ouvriers à la chaîne, chacun concentré sur une tâche, la chaîne de montage ne produirait l'état initial correct que 93,6% du temps (98,9% multiplié par elle-même six fois), soit environ dix fois pire que l'erreur mesurée dans l'expérience. Cette amélioration est due au fait que dans l'expérience, les pièces imparfaites travaillent ensemble pour minimiser le risque d'erreurs quantiques aggravant et ruinant le résultat, semblable à des travailleurs vigilants attrapant les erreurs les uns des autres.

Les résultats ont été obtenus en utilisant le système de piège à ions de Monroe à l'UMD, qui utilise jusqu'à 32 atomes chargés individuels - des ions - qui sont refroidis avec des lasers et suspendus sur des électrodes sur une puce. Ils utilisent ensuite chaque ion comme un qubit en le manipulant avec des lasers.

"Nous avons 32 faisceaux laser, " dit Monroe. " Et les atomes sont comme des canards alignés; chacun avec son propre faisceau laser entièrement contrôlable. J'y pense comme les atomes forment une corde linéaire et nous la pinçons comme une corde de guitare. Nous le cueillons avec des lasers que nous activons et désactivons de manière programmable. Et c'est l'ordinateur; c'est notre unité centrale de traitement."

En créant avec succès un qubit logique tolérant aux pannes avec ce système, les chercheurs ont montré que prudent, les conceptions créatives ont le potentiel de libérer l'informatique quantique de la contrainte des erreurs inévitables de l'état actuel de l'art. Les qubits logiques tolérants aux pannes sont un moyen de contourner les erreurs des qubits modernes et pourraient constituer la base d'ordinateurs quantiques à la fois fiables et suffisamment volumineux pour des utilisations pratiques.

Corriger les erreurs et tolérer les fautes

Il est important de développer des qubits tolérants aux pannes capables de corriger les erreurs, car la loi de Murphy est implacable :peu importe à quel point vous construisez une machine, quelque chose finit par mal tourner. Dans un ordinateur, tout bit ou qubit a une chance d'échouer occasionnellement à son travail. Et les nombreux qubits impliqués dans un ordinateur quantique pratique signifient qu'il existe de nombreuses possibilités d'erreurs.

Heureusement, Les ingénieurs peuvent concevoir un ordinateur de manière à ce que ses éléments fonctionnent ensemble pour détecter les erreurs, par exemple en conservant les informations importantes sur un disque dur supplémentaire ou en demandant à une deuxième personne de lire votre e-mail important pour détecter les fautes de frappe avant de l'envoyer. Les personnes ou les lecteurs doivent tout gâcher pour qu'une erreur survive. Bien qu'il faille plus de travail pour terminer la tâche, la redondance permet d'assurer la qualité finale.

Certaines technologies répandues, comme les téléphones portables et les modems haut débit, utilisent actuellement la correction d'erreurs pour assurer la qualité des transmissions et éviter d'autres désagréments. La correction d'erreurs à l'aide d'une simple redondance peut réduire le risque d'erreur non détectée tant que votre procédure n'est pas erronée plus souvent qu'elle ne l'est, par exemple, envoyer ou stocker des données en trois exemplaires et faire confiance au vote majoritaire peut faire passer le risque d'erreur d'un sur cent à moins d'un sur mille.

Ainsi, même si la perfection n'est peut-être jamais à portée de main, la correction d'erreurs peut rendre les performances d'un ordinateur aussi bonnes que nécessaire, tant que vous pouvez vous permettre le prix d'utiliser des ressources supplémentaires. Les chercheurs prévoient d'utiliser la correction d'erreur quantique pour compléter de la même manière leurs efforts pour créer de meilleurs qubits et leur permettre de construire des ordinateurs quantiques sans avoir à surmonter toutes les erreurs dont souffrent les appareils quantiques.

"Ce qui est incroyable dans la tolérance aux pannes, est-ce une recette pour savoir comment prendre de petites pièces peu fiables et les transformer en un appareil très fiable, " dit Kenneth Brown, professeur d'ingénierie électrique et informatique à Duke et coauteur de l'article. "Et la correction d'erreur quantique tolérante aux pannes nous permettra de fabriquer des ordinateurs quantiques très fiables à partir de pièces quantiques défectueuses."

Mais la correction d'erreur quantique présente des défis uniques :les qubits sont plus complexes que les bits traditionnels et peuvent mal tourner de plusieurs manières. Vous ne pouvez pas simplement copier un qubit, ou même simplement vérifier sa valeur au milieu d'un calcul. La raison pour laquelle les qubits sont avantageux est qu'ils peuvent exister dans une superposition quantique d'états multiples et peuvent s'entremêler mécaniquement quantiquement. Pour copier un qubit, vous devez savoir exactement quelles informations il stocke actuellement – ​​en termes physiques, vous devez les mesurer. Et une mesure le met dans un seul état quantique bien défini, détruire toute superposition ou intrication sur laquelle repose le calcul quantique.

Donc, pour la correction d'erreur quantique, vous devez corriger les erreurs dans les bits que vous n'êtes pas autorisé à copier ou même à regarder de trop près. C'est comme relire les yeux bandés. Au milieu des années 90, les chercheurs ont commencé à proposer des moyens de le faire en utilisant les subtilités de la mécanique quantique, mais les ordinateurs quantiques arrivent juste au point où ils peuvent mettre les théories à l'épreuve.

L'idée clé est de créer un qubit logique à partir de qubits physiques redondants de manière à pouvoir vérifier si les qubits s'accordent sur certains faits de mécanique quantique sans jamais connaître l'état de l'un d'entre eux individuellement.

Ne peut pas s'améliorer sur l'atome

Il existe de nombreux codes de correction d'erreur quantique proposés, et certains conviennent plus naturellement à une approche particulière de la création d'un ordinateur quantique. Chaque façon de fabriquer un ordinateur quantique a ses propres types d'erreurs ainsi que des forces uniques. Ainsi, la construction d'un ordinateur quantique pratique nécessite de comprendre et de travailler avec les erreurs et les avantages particuliers que votre approche apporte.

L'ordinateur quantique à piège à ions avec lequel Monroe et ses collègues travaillent présente l'avantage que leurs qubits individuels sont identiques et très stables. Puisque les qubits sont des ions chargés électriquement, chaque qubit peut communiquer avec tous les autres de la ligne via des nudges électriques, donnant la liberté par rapport aux systèmes qui ont besoin d'une connexion solide aux voisins immédiats.

"Ce sont des atomes d'un élément et d'un isotope particuliers, ils sont donc parfaitement reproductibles, " dit Monroe. " Et quand vous stockez de la cohérence dans les qubits et que vous les laissez tranquilles, il existe essentiellement pour toujours. Donc, le qubit lorsqu'il est laissé seul est parfait. Pour utiliser ce qubit, nous devons le pousser avec des lasers, nous devons y faire des choses, nous devons nous accrocher à l'atome avec des électrodes dans une chambre à vide, toutes ces choses techniques ont du bruit dessus, et ils peuvent affecter le qubit."

Pour le système de Monroe, la plus grande source d'erreurs est l'enchevêtrement des opérations - la création de liens quantiques entre deux qubits avec des impulsions laser. Les opérations d'intrication sont des parties nécessaires du fonctionnement d'un ordinateur quantique et de la combinaison de qubits en qubits logiques. Ainsi, bien que l'équipe ne puisse pas espérer que ses qubits logiques stockent les informations de manière plus stable que les qubits ioniques individuels, corriger les erreurs qui se produisent lors de l'enchevêtrement des qubits est une amélioration vitale.

Les chercheurs ont sélectionné le code Bacon-Shor comme une bonne correspondance pour les avantages et les faiblesses de leur système. Pour ce projet, ils n'avaient besoin que de 15 des 32 ions que leur système peut supporter, et deux des ions n'ont pas été utilisés comme qubits mais n'étaient nécessaires que pour obtenir un espacement régulier entre les autres ions. Pour le code, ils ont utilisé neuf qubits pour encoder de manière redondante un seul qubit logique et quatre qubits supplémentaires pour sélectionner les emplacements où des erreurs potentielles se sont produites. Avec ces informations, les qubits défectueux détectés peuvent, en théorie, être corrigé sans que la "quantité" des qubits ne soit compromise en mesurant l'état de tout qubit individuel.

"L'élément clé de la correction d'erreur quantique est la redondance, c'est pourquoi nous avions besoin de neuf qubits pour obtenir un qubit logique, " déclare Laird Egan, étudiant diplômé de JQI, qui est le premier auteur de l'article. "Mais cette redondance nous aide à rechercher les erreurs et à les corriger, car une erreur sur un seul qubit peut être protégée par les huit autres."

L'équipe a utilisé avec succès le code Bacon-Shor avec le système de piège à ions. Le qubit logique résultant nécessitait six opérations d'intrication, chacune avec un taux d'erreur attendu entre 0,7 % et 1,5 %. Mais grâce à la conception soignée du code, ces erreurs ne se combinent pas en un taux d'erreur encore plus élevé lorsque les opérations d'intrication ont été utilisées pour préparer le qubit logique dans son état initial.

L'équipe n'a observé une erreur dans la préparation et la mesure du qubit que 0,6% du temps, soit moins que l'erreur la plus faible attendue pour l'une des opérations d'enchevêtrement individuelles. L'équipe a ensuite pu déplacer le qubit logique vers un deuxième état avec une erreur de seulement 0,3%. L'équipe a également intentionnellement introduit des erreurs et démontré qu'elle pouvait les détecter.

"C'est vraiment une démonstration de la correction d'erreur quantique qui améliore pour la première fois les performances des composants sous-jacents, " dit Egan. " Et il n'y a aucune raison pour que d'autres plates-formes ne puissent pas faire la même chose à mesure qu'elles évoluent. C'est vraiment une preuve de concept que la correction d'erreur quantique fonctionne."

Alors que l'équipe poursuit cette ligne de travail, ils disent qu'ils espèrent obtenir un succès similaire en construisant des portes logiques quantiques encore plus difficiles à partir de leurs qubits, effectuer des cycles complets de correction d'erreurs où les erreurs détectées sont activement corrigées, et enchevêtrer plusieurs qubits logiques ensemble.

"Jusqu'à ce papier, tout le monde s'est concentré sur la création d'un qubit logique, " dit Egan. " Et maintenant que nous en avons fait un, étaient comme, 'Les qubits logiques simples fonctionnent, alors que peux-tu faire avec deux ?'"

En plus de Monroe, Brown et Egan, les autres coauteurs de l'article sont les suivants :le chercheur JQI Marko Cetina; Étudiants diplômés JQI Andrew Risinger, Daiwei Zhu et Debopriyo Biswas; Dripto M. Debroy, étudiant diplômé en physique de l'Université Duke; Crystal Noel et Michael Newman, chercheurs postdoctoraux de l'Université Duke ; et Muyuan Li, étudiant diplômé du Georgia Institute of Technology.