Les ordinateurs quantiques devraient révolutionner la façon dont les chercheurs résolvent les problèmes informatiques difficiles. Ces ordinateurs sont conçus pour relever des défis majeurs dans des domaines de recherche fondamentale, comme la chimie quantique. Dans son stade actuel de développement, l'informatique quantique est encore très sensible au bruit et aux facteurs perturbateurs de l'environnement. Cela rend l'informatique quantique "bruyante" car les bits quantiques - ou qubits - perdent des informations en se désynchronisant, un processus appelé décohérence.

Pour surmonter les limites des ordinateurs quantiques actuels, les chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) développent des simulations qui donnent un aperçu du fonctionnement des ordinateurs quantiques.

"Lorsque nous essayons d'observer directement le comportement des systèmes quantiques, comme les qubits, leurs états quantiques s'effondrent", a déclaré Ang Li, informaticien du PNNL. Li est également chercheur pour le Quantum Science Center et le Co-Design Center for Quantum Advantage, deux des cinq centres nationaux de recherche sur les sciences de l'information quantique du ministère de l'Énergie. "Pour contourner ce problème, nous utilisons des simulations pour étudier les qubits et leur interaction avec l'environnement."

Li et ses collaborateurs du Oak Ridge National Laboratory et de Microsoft utilisent le calcul haute performance pour développer des simulateurs qui imitent de vrais dispositifs quantiques pour exécuter des circuits quantiques complexes. Récemment, ils ont combiné deux différents types de simulations pour créer le Northwest Quantum Simulator (NWQ-Sim) afin de tester les algorithmes quantiques.

"Tester des algorithmes quantiques sur des dispositifs quantiques est lent et coûteux. De plus, certains algorithmes sont trop avancés pour les dispositifs quantiques actuels", a déclaré Li. "Nos simulateurs quantiques peuvent nous aider à aller au-delà des limites des appareils existants et des algorithmes de test pour des systèmes plus sophistiqués."

Algorithmes pour ordinateurs quantiques

Nathan Wiebe, co-nommé par le PNNL de l'Université de Toronto et professeur affilié à l'Université de Washington, adopte une autre stratégie en écrivant du code pour les ordinateurs quantiques. Bien qu'il puisse parfois être frustrant d'être limité par les capacités des appareils quantiques actuels, Wiebe voit ce défi comme une opportunité.

"Les circuits quantiques bruyants produisent des erreurs dans les calculs", a déclaré Wiebe. "Plus il faut de qubits pour un calcul, plus il est sujet aux erreurs."

Wiebe et ses collaborateurs de l'Université de Washington ont développé de nouveaux algorithmes pour corriger ces erreurs dans certains types de simulations.

"Ce travail fournit un moyen moins cher et plus rapide d'effectuer une correction d'erreur quantique. Il nous rapproche potentiellement de la démonstration d'un exemple informatiquement utile d'une simulation quantique pour la théorie quantique des champs sur du matériel quantique à court terme", a déclaré Wiebe.

La matière noire rencontre l'informatique quantique

Alors que Wiebe cherche à atténuer le bruit en créant des algorithmes de correction d'erreurs, le physicien Ben Loer et ses collègues se tournent vers l'environnement pour contrôler les sources externes de bruit.

Loer utilise son expérience pour atteindre des niveaux ultra-faibles de radioactivité naturelle, nécessaires pour rechercher des preuves expérimentales de la matière noire dans l'univers, afin d'aider à prévenir la décohérence des qubits.

"Le rayonnement de l'environnement, comme les rayons gamma et les rayons X, existe partout", a déclaré Loer. "Comme les qubits sont si sensibles, nous avons eu l'idée que ce rayonnement pourrait interférer avec leurs états quantiques."

Pour tester cela, Loer, le chef de projet Brent VanDevender et son collègue John Orrell, se sont associés à des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et du Lincoln Laboratory du MIT ont utilisé un bouclier en plomb pour protéger les qubits des radiations. Ils ont conçu le bouclier pour une utilisation dans un réfrigérateur à dilution, une technologie utilisée pour produire la température juste au-dessus du zéro absolu nécessaire au fonctionnement des qubits supraconducteurs. Ils ont constaté que la décohérence des qubits diminuait lorsque les qubits étaient protégés.

Bien qu'il s'agisse de la première étape pour comprendre comment le rayonnement affecte l'informatique quantique, Loer prévoit d'examiner comment le rayonnement perturbe les circuits et les substrats au sein d'un système quantique. "Nous pouvons simuler et modéliser ces interactions quantiques pour aider à améliorer la conception des dispositifs quantiques", a déclaré Loer.

Loer emmène ses recherches sur les réfrigérateurs à dilution blindés au plomb sous terre dans le laboratoire souterrain peu profond du PNNL avec l'aide du chimiste du PNNL Marvin Warner

"Si nous développons un appareil quantique qui ne fonctionne pas comme il le devrait, nous devons être en mesure d'identifier le problème", a déclaré Warner. "En protégeant les qubits du rayonnement externe, nous pouvons commencer à caractériser d'autres sources potentielles de bruit dans l'appareil." + Explorer plus loin

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