Vue d'ensemble d'un ordinateur quantique à atomes neutres tolérant aux pannes utilisant la conversion d'effacement. un Schéma d'un ordinateur quantique à atomes neutres, avec un plan d'atomes sous un objectif de microscope utilisé pour imager la fluorescence et projeter les champs de piégeage et de contrôle. b Les qubits physiques sont individuels 171 Atomes Yb. Les états du qubit sont encodés dans le métastable 6s 6p 3 P0 F = 1/2 niveau (sous-espace Q), et les portes à deux qubits sont réalisées via l'état de Rydberg |r⟩|r⟩\left|r\right\rangle, auquel on accède par une transition à photon unique (λ = 302 nm) avec une fréquence de Rabi Ω. Les erreurs dominantes pendant les portes sont les désintégrations de |r⟩|r⟩\left|r\right\rangle avec un taux total Γ = ΓB + ΓR + ΓQ . Seulement une petite fraction ΓQ /Γ ≈ 0,05 retourne au sous-espace qubit, tandis que les désintégrations restantes sont soit des transitions de corps noir (BBR) vers des états de Rydberg proches (ΓB /Γ ≈ 0.61) ou décroissance radiative vers l'état fondamental 6s 2 1 S 0 (ΓR /Γ ≈ 0,34). À la fin d'une porte, ces événements peuvent être détectés et convertis en erreurs d'effacement en détectant la fluorescence des atomes de l'état fondamental (sous-espace R), ou en ionisant toute population restante de Rydberg via l'autoionisation, et en collectant la fluorescence sur le Yb + transition (sous-espace B). c Un patch du code de surface XZZX étudié dans ce travail, montrant les qubits de données (cercles vides), les qubits auxiliaires (cercles pleins) et les opérations de stabilisation, effectuées dans l'ordre indiqué par les flèches. d Circuit quantique représentant une mesure d'un stabilisateur sur des qubits de données D 1 − D 4 en utilisant l'accessoire A 1 avec des étapes de conversion d'effacement entrelacées. La détection d'effacement est appliquée après chaque porte, et les atomes effacés sont remplacés à partir d'un réservoir selon les besoins à l'aide d'une pince optique mobile. Il est strictement nécessaire de remplacer l'atome qui a été détecté comme ayant quitté le sous-espace, mais le remplacement des deux protège contre la possibilité d'une fuite non détectée sur le deuxième atome. Crédit :Nature Communications (2022). DOI :10.1038/s41467-022-32094-6
Des chercheurs ont découvert une nouvelle méthode pour corriger les erreurs dans les calculs des ordinateurs quantiques, éliminant potentiellement un obstacle majeur à un nouveau domaine informatique puissant.
Dans les ordinateurs conventionnels, la correction des erreurs est un domaine bien développé. Chaque téléphone portable nécessite des vérifications et des correctifs pour envoyer et recevoir des données sur des ondes désordonnées. Les ordinateurs quantiques offrent un potentiel énorme pour résoudre certains problèmes complexes impossibles pour les ordinateurs conventionnels, mais ce pouvoir dépend de la maîtrise des comportements extrêmement fugaces des particules subatomiques. Ces comportements informatiques sont si éphémères que même les regarder pour vérifier les erreurs peut provoquer l'effondrement de tout le système.
Dans un article décrivant une nouvelle théorie de la correction d'erreurs, publié le 9 août dans Nature Communications , une équipe interdisciplinaire dirigée par Jeff Thompson, professeur agrégé de génie électrique et informatique à Princeton, et les collaborateurs Yue Wu et Shruti Puri de l'Université de Yale et Shimon Kolkowitz de l'Université du Wisconsin-Madison, ont montré qu'ils pouvaient considérablement améliorer le fonctionnement d'un ordinateur quantique. tolérance aux pannes et réduire la quantité d'informations redondantes nécessaires pour isoler et corriger les erreurs. La nouvelle technique multiplie par quatre le taux d'erreur acceptable, de 1 % à 4 %, ce qui est pratique pour les ordinateurs quantiques actuellement en développement.
"Le défi fondamental pour les ordinateurs quantiques est que les opérations que vous voulez effectuer sont bruyantes", a déclaré Thompson, ce qui signifie que les calculs sont sujets à une myriade de modes de défaillance.
Dans un ordinateur conventionnel, une erreur peut être aussi simple qu'un morceau de mémoire passant accidentellement d'un 1 à un 0, ou aussi désordonnée qu'un routeur sans fil interférant avec un autre. Une approche courante pour gérer de tels défauts consiste à intégrer une certaine redondance, de sorte que chaque élément de données soit comparé à des copies en double. Cependant, cette approche augmente la quantité de données nécessaires et crée plus de possibilités d'erreurs. Par conséquent, cela ne fonctionne que lorsque la grande majorité des informations sont déjà correctes. Sinon, vérifier des données erronées par rapport à des données erronées conduit plus profondément dans un gouffre d'erreur.
"Si votre taux d'erreur de base est trop élevé, la redondance est une mauvaise stratégie", a déclaré Thompson. "Devenir en dessous de ce seuil est le principal défi."
Plutôt que de se concentrer uniquement sur la réduction du nombre d'erreurs, l'équipe de Thompson a essentiellement rendu les erreurs plus visibles. L'équipe a approfondi les causes physiques réelles des erreurs et a conçu son système de sorte que la source d'erreur la plus courante élimine efficacement, plutôt que de simplement corrompre, les données endommagées. Thompson a déclaré que ce comportement représente un type particulier d'erreur appelé "erreur d'effacement", qui est fondamentalement plus facile à éliminer que les données corrompues mais qui ressemblent toujours à toutes les autres données.
Dans un ordinateur conventionnel, si un paquet d'informations supposées redondantes apparaît comme 11001, il peut être risqué de supposer que les 1 légèrement plus répandus sont corrects et que les 0 sont faux. Mais si l'information apparaît comme 11XX1, où les bits corrompus sont évidents, le cas est plus convaincant.
"Ces erreurs d'effacement sont beaucoup plus faciles à corriger car vous savez où elles se trouvent", a déclaré Thompson. "Ils peuvent être exclus du vote à la majorité. C'est un énorme avantage."
Les erreurs d'effacement sont bien comprises dans l'informatique conventionnelle, mais les chercheurs n'avaient pas envisagé auparavant d'essayer de concevoir des ordinateurs quantiques pour convertir les erreurs en effacements, a déclaré Thompson.
En pratique, leur système proposé pourrait supporter un taux d'erreur de 4,1 %, ce qui, selon Thompson, est bien dans le domaine des possibilités pour les ordinateurs quantiques actuels. Dans les systèmes précédents, la correction d'erreur de pointe pouvait gérer moins de 1 % d'erreur, ce qui, selon Thompson, est à la limite des capacités de tout système quantique actuel avec un grand nombre de qubits.
La capacité de l'équipe à générer des erreurs d'effacement s'est avérée être un avantage inattendu d'un choix fait par Thompson il y a des années. Ses recherches explorent les "qubits d'atomes neutres", dans lesquels l'information quantique (un "qubit") est stockée dans un seul atome. Ils ont été les pionniers de l'utilisation de l'élément ytterbium à cette fin. Thompson a déclaré que le groupe avait choisi l'ytterbium en partie parce qu'il a deux électrons dans sa couche d'électrons la plus externe, par rapport à la plupart des autres qubits d'atomes neutres, qui n'en ont qu'un.
"Je le considère comme un couteau suisse, et cet ytterbium est le plus gros et le plus gros couteau suisse", a déclaré Thompson. "Ce petit peu plus de complexité que vous obtenez en ayant deux électrons vous donne beaucoup d'outils uniques."
Une utilisation de ces outils supplémentaires s'est avérée utile pour éliminer les erreurs. L'équipe a proposé de pomper les électrons dans l'ytterbium et de leur "état fondamental" stable vers des états excités appelés "états métastables", qui peuvent avoir une longue durée de vie dans les bonnes conditions mais qui sont intrinsèquement fragiles. De manière contre-intuitive, les chercheurs proposent d'utiliser ces états pour encoder l'information quantique.
"C'est comme si les électrons étaient sur une corde raide", a déclaré Thompson. Et le système est conçu pour que les mêmes facteurs qui causent l'erreur provoquent également la chute des électrons de la corde raide.
En prime, une fois qu'ils tombent à l'état fondamental, les électrons diffusent la lumière de manière très visible, donc éclairer une collection de qubits d'ytterbium ne fait s'allumer que ceux qui sont défectueux. Ceux qui s'allument doivent être considérés comme des erreurs.
Cette avancée a nécessité de combiner des connaissances à la fois sur le matériel informatique quantique et sur la théorie de la correction d'erreur quantique, en tirant parti de la nature interdisciplinaire de l'équipe de recherche et de leur étroite collaboration. Alors que la mécanique de cette configuration est spécifique aux atomes d'ytterbium de Thompson, il a déclaré que l'idée de concevoir des qubits quantiques pour générer des erreurs d'effacement pourrait être un objectif utile dans d'autres systèmes - dont il existe de nombreux en développement dans le monde - et c'est quelque chose que le groupe continue de travailler.
"Nous voyons ce projet comme présentant une sorte d'architecture qui pourrait être appliquée de différentes manières", a déclaré Thompson, ajoutant que d'autres groupes ont déjà commencé à concevoir leurs systèmes pour convertir les erreurs en effacements. "Nous voyons déjà beaucoup d'intérêt à trouver des adaptations pour ce travail."
Dans une prochaine étape, le groupe de Thompson travaille maintenant sur la démonstration de la conversion des erreurs en effacements dans un petit ordinateur quantique fonctionnel qui combine plusieurs dizaines de qubits.
L'article, "Erasure conversion for fault-tolerant quantum computing in fault-tolerant quantum arrays in alcalin earth Rydberg atom arrays", a été publié le 9 août dans Nature Communications . L'ajout de qubits logiques à l'ordinateur quantique Sycamore réduit le taux d'erreur
