Des facteurs environnementaux appelés décohérences conduisent à des rotations aléatoires des qubits. Par exemple, le qubit central est tourné dans la figure du milieu, ce qui représente une erreur quantique. La tâche des schémas QEC est de détecter et de corriger ces erreurs afin que les qubits puissent être ramenés à leur état d'origine. Crédit :Sangkha Borah, OIST
Les ordinateurs quantiques sont extrêmement prometteurs dans notre monde du big data. Si les chercheurs peuvent exploiter leur potentiel, ces appareils pourraient effectuer des calculs extrêmement complexes à la vitesse de l'éclair.
Les ordinateurs classiques tels que nos ordinateurs portables stockent les informations en bits, qui existent dans l'un des deux états physiques suivants :0 ou 1. Mais les qubits, la forme équivalente de stockage de données pour les ordinateurs quantiques, fonctionnent différemment car leur nature est probabiliste plutôt que déterministe. Ils peuvent exister simultanément en tant que 0 et 1, ce qui leur donne leur pouvoir. À mesure que le nombre de qubits stockés dans un ordinateur quantique augmente, cet ordinateur peut traiter les informations de manière exponentielle plus rapidement qu'un ordinateur classique.
Mais il y a un inconvénient. Les Qubits sont fragiles. Leurs états changent très rapidement, par exemple en réponse à des facteurs environnementaux tels que la température, introduisant de nombreuses erreurs. Les chercheurs ont eu du mal à développer un moyen efficace de corriger ces erreurs en temps réel. Les méthodes pour corriger ces erreurs quantiques sont connues sous le nom de schémas de correction d'erreur quantique (QEC).
"Pour l'informatique quantique, ces erreurs sont vraiment un problème", explique le Dr Sangkha Borah, chercheur postdoctoral à l'unité des machines quantiques dirigée par le professeur Jason Twamley à l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST). "Si nous pouvons comprendre comment effectuer avec précision la QEC, nous aurons peut-être très bientôt des ordinateurs quantiques utilisables."
Maintenant, le Dr Borah et ses collègues de l'OIST, et leurs collaborateurs du Trinity College de Dublin, en Irlande, et de l'Université du Queensland à Brisbane, en Australie, ont proposé une nouvelle technique de correction d'erreurs, qui a récemment été publiée dans Physical Examiner la recherche.
Ce schéma montre comment le schéma MBE-CQEC fonctionne pour trois qubits. Les qubits dans un ordinateur quantique (à gauche) sont mesurés en continu par un estimateur (à droite), qui est exécuté par un ordinateur classique. L'estimateur détecte les erreurs en effectuant des mesures de syndrome, puis les corrige avec une rétroaction appropriée. Crédit :Sangkha Borah, OIST
Atteindre QEC implique de créer une collection de plusieurs qubits en utilisant une propriété mécanique quantique appelée intrication. Pour détecter les erreurs qui se produisent dans les qubits, un schéma QEC doit appliquer une série de mesures appelées mesures de syndrome. Ces mesures évaluent si deux qubits voisins les plus proches sont alignés dans la même direction ou non. Les résultats de ces mesures sont appelés syndromes, et sur cette base, l'erreur dans les qubits peut être détectée et ensuite corrigée.
Les schémas QEC couramment utilisés sont généralement lents et entraînent également une perte rapide d'informations stockées dans les qubits en raison d'erreurs qu'ils ne parviennent pas à détecter et à corriger en temps réel. De plus, ces méthodes QEC utilisent une approche de mesure quantique conventionnelle appelée mesure projective pour obtenir les syndromes. Cette approche nécessite plusieurs qubits supplémentaires, ce qui la rend gourmande en ressources.
Au lieu de cela, le Dr Borah et ses collègues ont utilisé une approche appelée mesure continue. De telles mesures peuvent être effectuées beaucoup plus rapidement que les mesures projectives conventionnelles d'une manière très économe en ressources. Ils ont développé un schéma QEC appelé schéma d'estimateur basé sur les mesures pour la correction d'erreur quantique continue (MBE-CQEC), qui pourrait détecter et corriger rapidement et efficacement les erreurs des mesures partielles et bruyantes du syndrome. Ils ont configuré un ordinateur classique puissant pour agir comme un contrôleur externe (ou estimateur) qui estime les erreurs dans le système quantique, filtre parfaitement le bruit et applique une rétroaction pour les corriger.
Le nouveau schéma QEC est basé sur un modèle théorique qui doit encore être validé expérimentalement sur un ordinateur quantique, explique le Dr Borah. En outre, il présente une limitation importante :à mesure que le nombre de qubits dans le système augmente, la simulation en temps réel de l'estimateur devient exponentiellement plus lente.
"Nous y travaillons, et nous espérons que d'autres dans le domaine s'attaqueront également au problème", a conclu le Dr Borah. L'ajout de qubits logiques à l'ordinateur quantique Sycamore réduit le taux d'erreur
