Vue d'artiste d'opérations de porte sur des bits quantiques logiques, qui sont protégés contre les défauts au moyen d'une correction d'erreur quantique. Crédit :Johannes Knünz
Dans les ordinateurs modernes, les erreurs lors du traitement et du stockage des informations sont devenues rares en raison d'une fabrication de haute qualité. Cependant, pour les applications critiques, où même des erreurs simples peuvent avoir des effets graves, des mécanismes de correction d'erreurs basés sur la redondance des données traitées sont toujours utilisés.
Les ordinateurs quantiques sont intrinsèquement beaucoup plus sensibles aux perturbations et nécessiteront donc probablement toujours des mécanismes de correction d'erreurs, car sinon les erreurs se propageront de manière incontrôlée dans le système et des informations seront perdues. Étant donné que les lois fondamentales de la mécanique quantique interdisent de copier des informations quantiques, la redondance peut être obtenue en distribuant des informations quantiques logiques dans un état intriqué de plusieurs systèmes physiques, par exemple plusieurs atomes individuels.
L'équipe dirigée par Thomas Monz du Département de physique expérimentale de l'Université d'Innsbruck et Markus Müller de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle et du Forschungszentrum Jülich en Allemagne a maintenant réussi pour la première fois à réaliser un ensemble d'opérations de calcul sur deux bits quantiques logiques qui peuvent être utilisé pour mettre en œuvre toute opération possible. "Pour un ordinateur quantique du monde réel, nous avons besoin d'un ensemble universel de portes avec lesquelles nous pouvons programmer tous les algorithmes", explique Lukas Postler, un physicien expérimental d'Innsbruck.
Opération quantique fondamentale réalisée
L'équipe de chercheurs a implémenté cet ensemble de portes universelles sur un ordinateur quantique à piège à ions comportant 16 atomes piégés. L'information quantique était stockée dans deux bits quantiques logiques, chacun réparti sur sept atomes.
Maintenant, pour la première fois, il a été possible d'implémenter deux portes de calcul sur ces bits quantiques tolérants aux pannes, qui sont nécessaires pour un ensemble universel de portes :une opération de calcul sur deux bits quantiques (une porte CNOT) et un T logique porte, qui est particulièrement difficile à mettre en œuvre sur les bits quantiques tolérants aux pannes.
"Les portes T sont des opérations très fondamentales", explique le physicien théoricien Markus Müller. "Ils sont particulièrement intéressants car les algorithmes quantiques sans portes T peuvent être simulés relativement facilement sur des ordinateurs classiques, annulant toute accélération possible. Ce n'est plus possible pour les algorithmes avec portes T." Les physiciens ont démontré la porte T en préparant un état spécial dans un bit quantique logique et en le téléportant vers un autre bit quantique via une opération de porte intriquée.
Fundamental building blocks for fault-tolerant quantum computing demonstrated. Credit:Uni Innsbruck/Harald Ritsch
Complexity increases, but accuracy also
In encoded logical quantum bits, the stored quantum information is protected from errors. But this is useless without computational operations and these operations are themselves error-prone.
The researchers have implemented operations on the logical qubits in such a way that errors caused by the underlying physical operations can also be detected and corrected. Thus, they have implemented the first fault-tolerant implementation of a universal set of gates on encoded logical quantum bits.
"The fault-tolerant implementation requires more operations than non-fault-tolerant operations. This will introduce more errors on the scale of single atoms, but nevertheless the experimental operations on the logical qubits are better than non-fault-tolerant logical operations," Thomas Monz is pleased to report. "The effort and complexity increase, but the resulting quality is better." The researchers also checked and confirmed their experimental results using numerical simulations on classical computers.
The physicists have now demonstrated all the building blocks for fault-tolerant computing on a quantum computer. The task now is to implement these methods on larger and hence more useful quantum computers. The methods demonstrated in Innsbruck on an ion trap quantum computer can also be used on other architectures for quantum computers.
La recherche a été publiée dans Nature . Error-protected quantum bits entangled for the first time
