Les ingénieurs cherchent depuis longtemps à rendre les ordinateurs quantiques moins sujets aux erreurs, souvent en développant des moyens de détecter et de corriger les erreurs plutôt que de les prévenir en premier lieu. Cependant, bon nombre de ces systèmes de correction d'erreurs impliquent la duplication simultanée d'informations sur des centaines ou des milliers de qubits physiques, ce qui devient rapidement difficile à faire évoluer de manière efficace.

Aujourd'hui, une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago a développé le modèle d'un ordinateur quantique capable de corriger plus efficacement les erreurs. Le système utilise un nouveau cadre, basé sur des codes de contrôle de parité quantique à faible densité (qLDPC) – qui peuvent détecter les erreurs en examinant la relation entre les bits – ainsi qu'un nouveau matériel impliquant des réseaux d'atomes reconfigurables, qui permettent aux qubits de communiquer avec plus de voisins et donc laisser les données qLDPC être codées dans moins de qubits.

"Avec ce plan proposé, nous avons réduit les frais généraux requis pour la correction des erreurs quantiques, ce qui ouvre de nouvelles voies pour faire évoluer les ordinateurs quantiques", a déclaré Liang Jiang, professeur de génie moléculaire et auteur principal du nouveau travail, publié dans Physique de la nature .

Bruit intrinsèque

Alors que les ordinateurs standards s'appuient sur des bits numériques (en position activée ou désactivée) pour coder les données, les qubits peuvent exister dans des états de superposition, ce qui leur donne la possibilité de résoudre de nouveaux problèmes informatiques. Cependant, les propriétés uniques des qubits les rendent également incroyablement sensibles à leur environnement; ils changent d'état en fonction de la température ambiante et de l'électromagnétisme.

"Les systèmes quantiques sont intrinsèquement bruyants. Il n'y a vraiment aucun moyen de construire une machine quantique sans erreur", a déclaré Qian Xu, un étudiant diplômé en PME qui a dirigé les nouveaux travaux. "Vous devez disposer d'un moyen de correction active des erreurs si vous souhaitez faire évoluer votre système quantique et le rendre utile pour des tâches pratiques."

Au cours des dernières décennies, les scientifiques se sont principalement tournés vers un type de correction d’erreurs, appelé codes de surface, pour les systèmes quantiques. Dans ces systèmes, vous codez simultanément les mêmes informations logiques en plusieurs bits physiques, disposés dans une grande grille bidimensionnelle. Des erreurs peuvent être déduites en comparant les qubits à leurs voisins directs. Une disparité suggère qu'un qubit a raté son allumage.

"Le problème, c'est que vous avez besoin d'une énorme quantité de ressources", a déclaré Xu. "Dans certains de ces systèmes, vous avez besoin de mille qubits physiques pour chaque qubit logique, donc à long terme, nous ne pensons pas pouvoir étendre cela à de très gros ordinateurs."

Réduire la redondance

Dans leur nouveau système, Jiang, Xu et leurs collègues de l'Université Harvard, de Caltech, de l'Université de l'Arizona et de QuEra Computing visaient à utiliser les codes qLDPC pour corriger les erreurs. Ce type de correction d'erreurs était envisagé depuis longtemps, mais n'était pas mis en œuvre dans un plan réaliste.

Avec les codes qLDPC, les données en qubits sont comparées non seulement à leurs voisins directs, mais également à des qubits plus éloignés. Il permet d’utiliser une grille de qubits plus petite pour obtenir le même nombre de comparaisons pour la correction d’erreurs. Cependant, ce type de communication longue distance entre qubits a toujours été le point de friction dans la mise en œuvre de qLDPC.

Les chercheurs ont trouvé une solution sous la forme d'un nouveau matériel :des atomes reconfigurables qui peuvent être déplacés avec des lasers pour permettre aux qubits de communiquer avec de nouveaux partenaires.

"Avec les systèmes de réseaux d'atomes reconfigurables d'aujourd'hui, nous pouvons contrôler et manipuler plus d'un millier de qubits physiques avec une haute fidélité et connecter des qubits séparés par une grande distance", a déclaré Harry Zhou de l'Université Harvard et de QuEra Computing. "En faisant correspondre la structure des codes quantiques et ces capacités matérielles, nous pouvons implémenter ces codes qLDPC plus avancés avec seulement quelques lignes de contrôle, mettant ainsi leur réalisation à la portée des systèmes expérimentaux d'aujourd'hui."

Lorsqu’ils ont combiné les codes qLDPC avec des réseaux d’atomes neutres reconfigurables, l’équipe a pu obtenir un meilleur taux d’erreur qu’en utilisant des codes de surface avec seulement quelques centaines de qubits physiques. Lors d'une mise à l'échelle, des algorithmes quantiques impliquant des milliers de qubits logiques pourraient être réalisés avec moins de 100 000 qubits physiques, soit bien plus efficaces que les codes de surface de référence.

"Il existe toujours une redondance en termes de codage des données dans plusieurs qubits physiques, mais l'idée est que nous avons considérablement réduit cette redondance", a déclaré Xu.

Le cadre est encore théorique, bien que les scientifiques développent rapidement des plates-formes de réseaux d’atomes qui s’orientent vers l’utilisation pratique du calcul quantique avec correction d’erreurs. L'équipe PME travaille maintenant à affiner davantage son plan et à garantir que les qubits logiques reposant sur des codes qLDPC et des réseaux d'atomes reconfigurables peuvent être utilisés dans le calcul.

"Nous pensons qu'à long terme, cela nous permettra de construire de très grands ordinateurs quantiques avec des taux d'erreur plus faibles", a déclaré Xu.