La course au développement d’ordinateurs quantiques s’est vraiment intensifiée ces dernières années. Les systèmes de pointe peuvent désormais exécuter des algorithmes simples utilisant des dizaines de qubits (ou bits quantiques) qui sont les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques.
Une grande partie de ce succès a été obtenue grâce aux ordinateurs quantiques dits basés sur des portes. Ces ordinateurs utilisent des composants physiques, notamment des circuits supraconducteurs, pour héberger et contrôler les qubits. Cette approche est assez similaire aux ordinateurs classiques basés sur des périphériques. Les deux architectures informatiques sont donc relativement compatibles et pourraient être utilisées ensemble. De plus, les futurs ordinateurs quantiques pourraient être fabriqués en exploitant les technologies utilisées pour fabriquer des ordinateurs conventionnels.
Mais l’équipe de recherche en informatique quantique optique du Centre RIKEN pour l’informatique quantique a adopté une approche très différente. Au lieu d'optimiser les ordinateurs quantiques basés sur des portes, Atsushi Sakaguchi, Jun-ichi Yoshikawa et le chef d'équipe Akira Furusawa ont développé l'informatique quantique basée sur les mesures.
Les ordinateurs quantiques basés sur des mesures traitent les informations dans un état quantique complexe appelé état de cluster, composé de trois (ou plus) qubits liés entre eux par un phénomène non classique appelé intrication. L'intrication se produit lorsque les propriétés de deux ou plusieurs particules quantiques restent liées, même lorsqu'elles sont séparées par de grandes distances.
Les ordinateurs quantiques basés sur des mesures fonctionnent en effectuant une mesure sur le premier qubit dans l'état du cluster. Le résultat de cette mesure détermine la mesure à effectuer sur le deuxième qubit intriqué, un processus appelé feedforward. Cela détermine ensuite comment mesurer le tiers. De cette manière, n'importe quelle porte ou circuit quantique peut être mis en œuvre grâce au choix approprié de la série de mesures.
Les schémas basés sur des mesures sont très efficaces lorsqu'ils sont utilisés sur des ordinateurs quantiques optiques, car il est facile d'enchevêtrer un grand nombre d'états quantiques dans un système optique. Cela rend un ordinateur quantique basé sur des mesures potentiellement plus évolutif qu’un ordinateur quantique basé sur des portes. Pour ces derniers, les qubits doivent être fabriqués et réglés avec précision pour assurer l’uniformité et physiquement connectés les uns aux autres. Ces problèmes sont automatiquement résolus à l'aide d'un ordinateur quantique optique basé sur des mesures.
Il est important de noter que le calcul quantique basé sur des mesures offre une programmabilité dans les systèmes optiques. "Nous pouvons modifier le fonctionnement en modifiant simplement la mesure", explique Sakaguchi. "C'est beaucoup plus facile que de changer le matériel, comme l'exigent les systèmes basés sur des portes dans les systèmes optiques."
Mais le feedback est essentiel. "Le feedforward est une méthodologie de contrôle dans laquelle nous transmettons les résultats de mesure à une autre partie du système comme forme de contrôle", explique Sakaguchi. "Dans le calcul quantique basé sur des mesures, la rétroaction est utilisée pour compenser le caractère aléatoire inhérent aux mesures quantiques. Sans opérations de rétroaction, le calcul quantique basé sur les mesures devient probabiliste, tandis que l'informatique quantique pratique devra être déterministe."
L'équipe de recherche en informatique quantique optique et ses collègues de l'Université de Tokyo, de l'Université Palacký en République tchèque, de l'Université nationale australienne et de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud en Australie ont maintenant démontré une forme plus avancée de rétroaction :non linéaire. rétroaction. Une action prospective non linéaire est nécessaire pour mettre en œuvre la gamme complète de portes potentielles dans les ordinateurs quantiques basés sur l’optique. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Communications .
"Nous avons maintenant démontré expérimentalement la mesure non linéaire de la quadrature à l'aide d'une nouvelle technologie de rétroaction non linéaire", explique Sakaguchi. "Ce type de mesure constituait auparavant un obstacle à la réalisation d'opérations quantiques universelles dans le calcul quantique basé sur des mesures optiques."
Ordinateurs optiques
Les ordinateurs quantiques optiques utilisent des qubits constitués de paquets d’ondes lumineuses. Dans d'autres institutions, certains membres de l'équipe actuelle de RIKEN avaient déjà construit les grands états de cluster optique nécessaires au calcul quantique basé sur des mesures. L'anticipation linéaire a également été obtenue pour construire des opérations de porte simples, mais des portes plus avancées nécessitent une anticipation non linéaire.
Une théorie pour la mise en œuvre pratique de la mesure non linéaire de quadrature a été proposée en 2016. Mais cette approche présentait deux difficultés pratiques majeures :générer un état auxiliaire spécial (que l'équipe a atteint en 2021) et effectuer une opération de rétroaction non linéaire.
L’équipe a surmonté ce dernier défi grâce à une optique complexe, des matériaux électro-optiques spéciaux et une électronique ultrarapide. Pour ce faire, ils ont exploité des mémoires numériques dans lesquelles les fonctions non linéaires souhaitées étaient précalculées et enregistrées en mémoire. "Après la mesure, nous avons transformé le signal optique en signal électrique", explique Sakaguchi. "Dans la rétroaction linéaire, nous amplifions ou atténuons simplement ce signal, mais nous devions effectuer un traitement beaucoup plus complexe pour la rétroaction non linéaire."
Les principaux avantages de cette technique de rétroaction non linéaire sont sa rapidité et sa flexibilité. Le processus doit être suffisamment rapide pour que la sortie puisse être synchronisée avec l'état quantique optique.
"Maintenant que nous avons montré que nous pouvons effectuer une rétroaction non linéaire, nous souhaitons l'appliquer au calcul quantique réel basé sur des mesures et à la correction d'erreurs quantiques à l'aide de notre système développé précédemment", explique Sakaguchi. "Et nous espérons pouvoir augmenter la vitesse plus élevée de notre réaction non linéaire pour le calcul quantique optique à grande vitesse."
"Mais le message clé est que, même si les approches basées sur des circuits supraconducteurs peuvent être plus populaires, les systèmes optiques sont un candidat prometteur pour le matériel informatique quantique", ajoute-t-il.
Plus d'informations : Atsushi Sakaguchi et al, Feedforward non linéaire permettant le calcul quantique, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-39195-w
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par RIKEN
