L’informatique quantique sans erreur devient une réalité

Vue d’artiste des opérations de porte sur des bits quantiques logiques protégés contre les erreurs par la correction d’erreur quantique. Crédit : Johannes Knunes

Les éléments de base de l’informatique quantique tolérante aux pannes sont expliqués

En raison d’une fabrication de haute qualité, les erreurs lors du traitement et du stockage des informations sont rares dans les ordinateurs modernes. Cependant, pour les applications critiques, où des erreurs simples peuvent avoir des effets graves, des mécanismes de correction d’erreurs basés sur la redondance sont toujours utilisés dans les données traitées.

Les ordinateurs quantiques sont intrinsèquement plus sensibles aux perturbations, de sorte que des mécanismes de correction d’erreurs seront toujours nécessaires. Sinon, les erreurs se propageront de manière incontrôlable dans le système et les informations seront perdues. Étant donné que les lois fondamentales de la mécanique quantique empêchent la copie des informations quantiques, la redondance peut être obtenue en distribuant des informations quantiques logiques dans un état intriqué de nombreux systèmes physiques, par exemple, plusieurs atomes individuels.

L’équipe de recherche, dirigée par Thomas Munns du Département de physique expérimentale de l’Université d’Innsbruck et Markus Muller de RWTH Aachen et Fürschungcentrum Jülich en Allemagne, a réussi pour la première fois à réaliser un ensemble de calculs sur deux logiques quantiques. Bits qui peuvent être utilisés pour effectuer n’importe quelle opération possible. « Pour un véritable ordinateur quantique, nous avons besoin d’un ensemble global de portes avec lesquelles nous pouvons programmer tous les algorithmes », explique Lukas Buestler, un physicien expérimental d’Innsbruck.

Processus quantitatif de base réalisé

L’équipe de chercheurs a appliqué cette passerelle globale mise en place sur un ordinateur quantique à piège à ions avec 16 atomes piégés. Les informations quantiques étaient stockées dans deux qubits quantiques logiques, chacun réparti sur sept atomes.

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Maintenant, pour la première fois, il est possible d’implémenter deux portes arithmétiques sur ces bits quantiques tolérants aux fautes, qui sont nécessaires pour un ensemble global de portes : une arithmétique sur deux bits quantiques (la porte CNOT) et un T booléen. porte, qui est particulièrement difficile à mettre en œuvre sur des bits quantiques tolérants aux erreurs.

Les éléments de base de l'informatique quantique tolérante aux pannes

Les éléments de base de l’informatique quantique tolérante aux erreurs sont présentés. Crédit : Yoni Innsbruck / Harald Rich

Le physicien théoricien Marcus Müller explique que « les portes en T sont des opérations très basiques ». « C’est particulièrement intéressant car les algorithmes quantiques sans portes en T peuvent être simulés relativement facilement sur des ordinateurs classiques, éliminant toute accélération potentielle. Ce n’est plus possible pour les algorithmes avec des portes en T. » Les physiciens ont démontré la porte T en préparant un état spécial dans un bit quantique logique et en le transmettant à distance à un autre bit quantique via un processus de porte intriqué.

La complexité augmente, mais la précision aussi

Dans les bits quantiques logiques codés, les informations quantiques stockées sont protégées contre les erreurs. Mais cela est inutile sans les opérations arithmétiques, et ces opérations sont elles-mêmes sujettes aux erreurs.

Les chercheurs ont mis en œuvre des opérations sur des qubits logiques de manière à ce que les erreurs résultant d’opérations physiques de base puissent également être détectées et corrigées. Ainsi, ils ont mis en œuvre la première application tolérante aux pannes d’un ensemble universel de portes à bits quantiques booléens codés.

L’implémentation tolérante aux pannes nécessite plus d’opérations que les opérations non tolérantes aux pannes. Cela introduira plus d’erreurs à l’échelle d’un seul atome, mais néanmoins les opérations expérimentales sur les qubits logiques sont meilleures que les opérations logiques tolérantes aux pannes », se réjouit Thomas Munz. « L’effort et la complexité augmentent, mais la qualité résultante est meilleure. » Les chercheurs examinent et confirment également leurs résultats expérimentaux en utilisant la simulation numérique sur des ordinateurs classiques.

Les physiciens ont maintenant démontré tous les éléments constitutifs de l’informatique tolérante aux pannes sur un ordinateur quantique. La tâche consiste maintenant à mettre en œuvre ces méthodes sur des ordinateurs quantiques plus grands et donc plus utiles. Les méthodes décrites à Innsbruck peuvent également être utilisées sur un ordinateur quantique à piège à ions dans d’autres architectures d’ordinateurs quantiques.

Référence : « Illustration of global fault-tolerant quantum gate operations » par Lukas Buchler, Sasha Heuen, Ivan Pogorelov, Manuel Rispeler, Thomas Feldker, Michael Meath, Christian D. Marciniak, Roman Stryker, Martin Ringbauer, Rainer Platt, Philip Schindler, Markus Muller et Thomas Mons, 25 mai 2022, disponible ici. tempérer la nature.
DOI : 10.1038 / s41586-022-04721-1

Un soutien financier à la recherche a été fourni, entre autres, par l’Union européenne dans le cadre de l’initiative phare Quantum ainsi que par l’Agence autrichienne de promotion de la recherche FFG, le Fonds scientifique autrichien FWF et la Fédération des industries autrichiennes du Tyrol.

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