Pour qu'un ordinateur quantique exécute une tâche, il doit utiliser un compilateur pour convertir les instructions écrites dans un langage de programmation en une séquence d'opérations de porte sur des bits quantiques, ou qubits en abrégé. Ils ont précédemment appliqué la théorie du contrôle optimal (algorithme GRAPE) à une recherche exhaustive pour développer une méthode permettant d'identifier la séquence de portes théoriquement optimale, mais à mesure que le nombre de qubits augmente, le nombre de combinaisons possibles augmente.

À mesure que leur nombre augmente de manière explosive, une recherche exhaustive devient impossible. Par exemple, si nous devions effectuer une recherche exhaustive pour trouver la séquence de portes optimale pour la tâche de génération d'un état quantique arbitraire de 6 qubits, cela prendrait plus de temps que l'âge de l'univers en utilisant l'ordinateur classique le plus rapide actuellement disponible.

Par conséquent, les chercheurs ont tenté de développer une méthode permettant de rechercher la séquence de portes quantiques optimale en utilisant une approche probabiliste et ont réussi. Grâce au supercalculateur Fugaku, il a été confirmé et démontré qu'en utilisant une nouvelle méthode de recherche aléatoire probabiliste, il est possible de rechercher la séquence de portes quantiques optimale pour le problème ci-dessus en quelques heures.

Cette nouvelle méthode devrait accélérer les compilateurs d’ordinateurs quantiques, devenir un outil utile pour les ordinateurs quantiques pratiques et conduire à une amélioration des performances des dispositifs informatiques quantiques. Il peut également être appliqué pour optimiser le traitement de l'information quantique au niveau des nœuds relais quantiques, et devrait donc contribuer à la réalisation de l'Internet quantique et à la réduction de l'impact environnemental.

Ce résultat a été publié dans la revue Physical Review A le 6 mai 2024.

Les ordinateurs quantiques, actuellement en cours de développement, devraient avoir un impact majeur sur la société. Leurs avantages incluent la réduction de la charge environnementale en réduisant la consommation d'énergie, la recherche de nouvelles substances chimiques à usage médical, l'accélération de la recherche de matériaux pour un environnement plus propre, etc. L'un des gros problèmes des ordinateurs quantiques est que l'état quantique est très sensible au bruit. , il est donc difficile de le maintenir de manière stable pendant une longue période (en maintenant un état quantique cohérent).

Pour de meilleures performances, les opérations doivent se dérouler dans un délai permettant à l’état quantique de rester cohérent. Cependant, hormis le cas particulier où le nombre de qubits est très petit, aucune bonne méthode n'a été connue pour trouver la séquence de portes quantiques optimale.

On attendait une solution qui évite la difficulté de l'augmentation explosive du nombre de séquences de portes possibles, même dans les calculs quantiques à grande échelle, et qui permette des recherches efficaces dans le temps et les ressources de calcul qui peuvent être effectuées sur des ordinateurs classiques.

L'équipe de recherche a introduit une méthode probabiliste pour développer une méthode systématique capable de rechercher efficacement la séquence de portes quantiques optimale en fonction du temps d'exécution et des ressources informatiques.

Lorsqu'un ordinateur stocke et traite des informations, toutes les informations sont converties en une chaîne de bits avec des valeurs de 0 ou 1. Une séquence de portes quantiques est un programme informatique écrit dans un langage lisible par l'homme après avoir été converti afin de pouvoir être traité. par un ordinateur quantique. La séquence de portes quantiques se compose de portes à 1 qubit et de portes à 2 qubits. La meilleure séquence est celle avec le moins de portes et montre les meilleures performances.

Leur étude montre le temps de calcul estimé lorsqu'une recherche est effectuée pour optimiser la fidélité F sur l'ordinateur classique le plus rapide pour chaque disposition de portes en utilisant l'algorithme de théorie du contrôle optimal GRAPE pour préparer n états de qubit. La ligne bleue continue représente ce qu'on appelle l'âge de l'univers (13,7 milliards d'années). À mesure que le nombre de qubits augmente, le nombre de combinaisons possibles augmente de manière explosive, donc à n=6, le temps de calcul total dépasse l'âge de l'univers.

L'analyse de toutes les séquences possibles pour de petits nombres de qubits révèle qu'il existe de nombreuses séquences de portes quantiques optimales. Cela suggère la possibilité de s'étendre à de grandes tâches quantiques et de trouver la séquence de portes quantiques optimale en utilisant une méthode de recherche probabiliste plutôt qu'une recherche exhaustive.

Ils montrent également le taux d'apparition (p) de séquences avec une fidélité F=1 pour la préparation d'un état composé de n=8 qubits, qui a été étudié à l'aide du supercalculateur Fugaku. Le débit p est exprimé en fonction du nombre de portes CNOT (N) de 2 qubits dans la séquence. Il est clair que la méthode probabiliste est très efficace car le taux d'occurrence F=1 augmente rapidement lorsque la limite inférieure de N (N=124) est dépassée.

Par exemple, le taux d'apparition de F=1 à N=129, qui est un peu supérieur à N=124, est supérieur à 50 %, donc si vous recherchez deux fois une disposition de porte, vous trouverez une séquence quantique qui a F=1. au moins une fois en moyenne. De cette manière, il a été découvert qu'en utilisant une méthode probabiliste, il est possible de rechercher des séquences de portes quantiques optimales plusieurs ordres de grandeur plus rapidement qu'en utilisant une méthode de recherche exhaustive.

La méthode systématique et probabiliste développée pour fournir des séquences de portes quantiques optimales pour les ordinateurs quantiques devrait devenir un outil utile pour les ordinateurs quantiques pratiques et accélérer les compilateurs d’ordinateurs quantiques. Il devrait améliorer les performances des dispositifs informatiques quantiques et contribuer au développement de nœuds quantiques dans l'Internet quantique et à la réduction de la charge environnementale.

À l'avenir, l'équipe de recherche intégrera les résultats obtenus dans cette étude avec des approches d'apprentissage automatique et les appliquera pour optimiser les performances des ordinateurs quantiques, dans le but d'accélérer davantage les compilateurs quantiques et de créer une base de données de séquences de portes quantiques optimales.

L'équipe de recherche comprend l'Institut national des technologies de l'information et des communications, le RIKEN, l'Université des sciences de Tokyo et l'Université de Tokyo.