Les scientifiques du monde entier travaillent dur pour éliminer le bruit des systèmes quantiques, qui pourrait perturber le fonctionnement des puissants ordinateurs quantiques de demain. Des chercheurs de l'Institut Niels Bohr (NBI) ont trouvé un moyen d'utiliser le bruit pour traiter l'information quantique. Cela augmente les performances de l'unité de calcul quantique, le qubit.
Une collaboration internationale dirigée par des scientifiques de l'Institut Niels Bohr (NBI) de l'Université de Copenhague a démontré une approche alternative. Leur méthode permet d'utiliser le bruit pour traiter l'information quantique. En conséquence, les performances de l'unité d'information fondamentale de l'informatique quantique, le qubit, sont augmentées de 700 %.
Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Communications .
"Éviter le bruit dans les systèmes quantiques s'est avéré difficile, car presque tout changement dans l'environnement peut gâcher les choses. Par exemple, votre système peut fonctionner avec un champ magnétique ou électrique donné, et si ce champ change légèrement, les effets quantiques s'effondrent.
"Nous proposons une approche complètement différente. Au lieu de nous débarrasser du bruit, nous utilisons une surveillance continue du bruit en temps réel et adaptons le système en fonction des changements environnementaux", explique le docteur. Chercheur au NBI Fabrizio Berritta, auteur principal de l'étude.
La nouvelle approche est possible grâce aux développements récents dans plusieurs domaines de haute technologie.
"Auparavant, disons il y a 20 ans, il aurait été possible de visualiser les fluctuations après l'expérience, mais il aurait été trop lent d'utiliser ces informations pendant l'expérience proprement dite. Nous utilisons la technologie FPGA [field-programable-gate-array] pour obtenir les mesures en temps réel. De plus, nous utilisons l'apprentissage automatique pour accélérer l'analyse", explique Berritta.
"L'idée est d'obtenir les mesures et d'effectuer l'analyse dans le même microprocesseur qui ajuste le système en temps réel. Sinon, le système ne serait pas assez rapide pour les applications d'informatique quantique."
Dans l’informatique actuelle, l’unité de base de l’information transférable, appelée bit, est liée à la charge des électrons. Il ne peut avoir qu’une des deux valeurs suivantes, un ou zéro :soit il y a des électrons, soit il n’y en a pas. L'unité de calcul quantique correspondante, connue sous le nom de qubit, pourra prendre plus de deux valeurs.
La quantité d'informations contenues par qubit augmentera de façon exponentielle avec le nombre de propriétés quantiques que l'on est capable de contrôler, ce qui pourrait aboutir un jour à des ordinateurs incroyablement plus puissants que les ordinateurs conventionnels.
L’une des pierres angulaires de la mécanique quantique est que les particules élémentaires possèdent non seulement une masse et une charge, mais également un spin. Un autre terme clé est l’enchevêtrement. Ici, deux ou plusieurs particules interagissent de telle manière que l'état quantique d'une seule particule ne peut pas être décrit indépendamment de l'état de l'autre ou des autres.
Le protocole derrière les nouvelles découvertes intègre un qubit de spin singulet-triplet implémenté dans un double point quantique d'arséniure de gallium avec des contrôleurs de qubit alimentés par FPGA. Le qubit implique deux électrons, avec les états des deux électrons intriqués.
Effort d'équipe interdisciplinaire
Tout comme les autres qubits de spin, le qubit singulet-triplet est vulnérable même aux petites perturbations de son environnement. Les physiciens utilisent le terme « bruit », qui ne doit pas être pris au pied de la lettre comme bruit acoustique. En ce qui concerne les systèmes quantiques, des perturbations telles que les fluctuations du champ électrique ou magnétique peuvent gâcher le ou les états quantiques d'intérêt.
Pour démontrer l'utilisation bénéfique des fluctuations environnementales, les chercheurs ont choisi ce qubit parce que son couplage au bruit magnétique et au bruit électrique est bien compris à partir d'une série d'études antérieures au NBI, dirigées par le professeur Ferdinand Kuemmeth, à la tête d'un groupe de recherche sur les semi-conducteurs et supraconducteurs. appareils quantiques au NBI.
La nouvelle étude a réuni des groupes de recherche du NBI, de l'Université Purdue, de l'Université norvégienne des sciences et technologies, des sociétés QDevil (Copenhague) et Quantum Machines (Tel Aviv) dans une gamme de domaines tels que les matériaux qubits, la fabrication des qubits, le matériel de contrôle des qubits, théorie de l'information quantique et apprentissage automatique.
"Cette collaboration illustre que le développement d'ordinateurs quantiques n'est plus une activité qui peut être pilotée par des groupes de physique individuels. Sans l'un de nos partenaires, ce travail n'aurait pas été possible", déclare Kuemmeth.
Les chercheurs considèrent le nouveau protocole comme une étape importante vers le développement des ordinateurs quantiques, mais se rendent également compte que de nombreuses autres étapes doivent être franchies.
"La prochaine étape pour nous sera d'appliquer notre protocole à des systèmes constitués de différents matériaux et comportant plus d'un qubit", explique Berritta. "Je ne peux pas dire quand nous verrons le premier ordinateur quantique vraiment utile. Peut-être dans 10 ans.
" Quoi qu'il en soit, nous pensons avoir trouvé une approche prometteuse. De nombreux collègues se concentrent sur l'élimination du bruit pour développer de meilleurs qubits, par exemple en améliorant la qualité des matériaux utilisés pour fabriquer les qubits. Nous avons démontré que sous certains conditions dans lesquelles on peut s'ajuster activement à une partie du bruit. Cela pourrait être pertinent pour d'autres types de qubits que celui de notre étude. "
Plus d'informations : Fabrizio Berritta et al, Contrôle en temps réel sur deux axes d'un qubit de spin, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-024-45857-0
Fourni par l'Institut Niels Bohr
