Des chercheurs de l'Université Duke et de l'Université du Maryland ont utilisé la fréquence des mesures sur un ordinateur quantique pour avoir un aperçu des phénomènes quantiques des changements de phase, quelque chose d'analogue à l'eau se transformant en vapeur.

En mesurant le nombre d'opérations qui peuvent être mises en œuvre sur un système informatique quantique sans déclencher l'effondrement de son état quantique, les chercheurs ont pu comprendre comment d'autres systèmes, naturels et informatiques, atteignent leurs points de basculement entre les phases. Les résultats fournissent également des conseils aux informaticiens travaillant à la mise en œuvre d'une correction d'erreur quantique qui permettra à terme aux ordinateurs quantiques d'atteindre leur plein potentiel.

Les résultats ont été publiés en ligne le 3 juin dans la revue Nature Physics .

Lors du chauffage de l'eau à ébullition, le mouvement des molécules évolue à mesure que la température change jusqu'à ce qu'il atteigne un point critique lorsqu'il commence à se transformer en vapeur. De la même manière, un système informatique quantique peut être de plus en plus manipulé par pas de temps discrets jusqu'à ce que son état quantique s'effondre en une solution unique.

"Il existe des liens profonds entre les phases de la matière et la théorie quantique, ce qui est si fascinant", a déclaré Crystal Noel, professeur adjoint de génie électrique et informatique et de physique à Duke. "Le système informatique quantique se comporte de la même manière que les systèmes quantiques trouvés dans la nature, comme un liquide qui se transforme en vapeur, même s'il est numérique."

La puissance des ordinateurs quantiques réside dans la capacité de leurs qubits à être une combinaison de 1 et de 0 en même temps, avec une croissance exponentielle de la complexité du système à mesure que de nouveaux qubits sont ajoutés. Cela leur permet de s'attaquer à un problème avec un parallélisme massif, comme essayer d'assembler les pièces d'un puzzle en une seule fois plutôt qu'une à la fois. Les qubits, cependant, doivent être capables de maintenir leur indécision quantique jusqu'à ce qu'une solution soit trouvée.

L'un des nombreux défis que cela présente est la correction d'erreurs. Certains des qubits perdront inévitablement une information, et le système doit être capable de découvrir et de corriger ces erreurs. Mais comme les systèmes quantiques perdent leur "quantité" lorsqu'ils sont mesurés, garder un œil sur les erreurs est une tâche délicate. Même avec des qubits supplémentaires gardant un œil sur les choses, plus un algorithme quantique est sondé pour les erreurs, plus il est susceptible d'échouer.

"Comme les molécules d'eau sur le point de devenir de la vapeur, il existe un seuil de mesures qu'un ordinateur quantique peut supporter avant de perdre ses informations quantiques", a déclaré Noel. "Et ce nombre de mesures est une analogie avec le nombre d'erreurs que l'ordinateur peut supporter tout en continuant à fonctionner correctement."

Dans le nouvel article, Noel et ses collègues étudient ce seuil de transition et l'état du système de chaque côté.

Travaillant en étroite collaboration avec Christopher Monroe, professeur émérite présidentiel d'ingénierie et de physique de la famille Gilhuly à Duke, Marko Cetina, professeur adjoint de physique à Duke, et Michael Gullans et Alexey Gorshkov à l'Université du Maryland et au National Institute of Standards and Technology, le un logiciel co-conçu par le groupe pour exécuter des circuits quantiques aléatoires adaptés aux capacités de leur système quantique. L'expérience a été menée sur l'un des ordinateurs quantiques à piège à ions du Duke Quantum Center, l'un des systèmes informatiques quantiques les plus puissants au monde.

"Le nombre de qubits dans le système, la fidélité de ses opérations et le niveau d'automatisation du système combinés en même temps sont uniques à ce système informatique quantique", a déclaré Noel. "D'autres systèmes ont pu atteindre chacun individuellement, mais jamais les trois en même temps dans un système universitaire. C'est ce qui nous a permis de mener ces expériences."

En faisant la moyenne sur de nombreux circuits aléatoires, l'équipe a pu voir comment la fréquence de mesure affectait les qubits. Comme prévu, un point critique est apparu au cours duquel le système a inévitablement perdu sa cohérence et ses informations quantiques, et en examinant comment le système s'est comporté de part et d'autre de cette transition de phase, les chercheurs pourront élaborer de meilleures approches des codes de correction d'erreurs dans le futur.

Les données fournissent également un aperçu unique de la façon dont d'autres changements de phase se produisent dans la nature que les chercheurs n'ont jamais pu voir auparavant.

"Cette démonstration est un exemple parfait de ce que nous faisons de manière unique au Duke Quantum Center", a déclaré Monroe. "Alors que nos ordinateurs quantiques sont constitués d'atomes contrôlés avec précision par des pièges électromagnétiques, des lasers et des optiques, nous pouvons déployer ces systèmes pour faire quelque chose de complètement différent, dans ce cas sonder la nature quantique sous-jacente des transitions de phase. Ce même ordinateur quantique peut également être appliqué à la résolution de modèles vexants dans des domaines allant des réactions chimiques, du séquençage de l'ADN et de l'astrophysique. Cela nécessite une expertise non seulement en physique atomique, mais aussi en ingénierie des systèmes, en informatique et dans tout autre domaine définissant l'application à exécuter. + Explorer plus loin

L'informatique quantique sans erreur devient réalité