Des chercheurs de Caltech ont développé une gomme quantique pour corriger les erreurs « d’effacement » dans les systèmes informatiques quantiques. Cette technique, qui consiste à manipuler des atomes neutres alcalino-terreux dans des « pincettes » à lumière laser, permet de détecter et de corriger les erreurs par fluorescence. L’innovation conduit à décupler les taux d’intrication dans les systèmes d’atomes neutres de Rydberg, ce qui représente une avancée cruciale pour rendre les ordinateurs quantiques plus fiables et plus évolutifs.
Les chercheurs ont réussi pour la première fois à identifier et à supprimer les erreurs d’effacement.
Les futurs ordinateurs quantiques devraient révolutionner la résolution de problèmes dans divers domaines, tels que la création de matériaux durables, le développement de nouveaux médicaments et la résolution de problèmes complexes en physique fondamentale. Cependant, ces systèmes quantiques pionniers sont actuellement plus sujets aux erreurs que les ordinateurs classiques que nous utilisons aujourd’hui. Ne serait-il pas bien si les chercheurs pouvaient simplement sortir une gomme quantique spéciale et se débarrasser des erreurs ?
Reportage dans le journal Nature, un groupe de chercheurs dirigé par Caltech est parmi les premiers à démontrer un type de gomme quantique. Les physiciens montrent qu’ils peuvent identifier et corriger les erreurs dans l’informatique quantique systèmes connus sous le nom d’erreurs « d’effacement ».
« Il est normalement très difficile de détecter les erreurs dans les ordinateurs quantiques, car le simple fait de rechercher des erreurs en provoque d’autres », explique Adam Shaw, co-auteur principal de la nouvelle étude et étudiant diplômé du laboratoire de Manuel Endres, un chercheur. professeur de physique à Caltech. « Mais nous montrons qu’avec un contrôle minutieux, nous pouvons localiser et effacer avec précision certaines erreurs sans conséquence, d’où l’origine de l’effacement du nom. »
La mécanique de l’informatique quantique
Les ordinateurs quantiques sont basés sur les lois de la physique qui régissent le domaine subatomique, comme l’intrication, un phénomène dans lequel les particules restent connectées et s’imitent sans être en contact direct. Dans la nouvelle étude, les chercheurs se sont concentrés sur un type de plate-forme informatique quantique qui utilise des réseaux d’atomes neutres, ou atomes sans charge. Plus précisément, ils ont manipulé des atomes neutres alcalino-terreux individuels confinés dans des « pinces » constituées de lumière laser. Les atomes étaient excités vers des états de haute énergie – ou états « Rydberg » – dans lesquels les atomes voisins commencent à interagir.
Bien que les erreurs soient normalement difficiles à détecter dans les appareils quantiques, les chercheurs ont montré que, avec un contrôle minutieux, certaines erreurs peuvent faire briller les atomes. Les chercheurs ont utilisé cette capacité pour exécuter une simulation quantique à l’aide d’un réseau d’atomes et d’un faisceau laser, comme le montre le concept de cet artiste. L’expérience a montré qu’ils pouvaient éliminer les atomes brillants et erronés et rendre la simulation quantique plus efficace. Crédit : Caltech/Lance Hayashida
« Les atomes de notre système quantique communiquent entre eux et génèrent un intrication », explique Pascal Scholl, l’autre co-auteur principal de l’étude et ancien chercheur postdoctoral à Caltech qui travaille désormais dans une société d’informatique quantique en France appelée PASQAL.
L’intrication est ce qui permet aux ordinateurs quantiques de surpasser les ordinateurs classiques. « Cependant, la nature n’aime pas rester dans ces états quantiques intriqués », explique Scholl. « Finalement, une erreur se produit, qui brise tout l’état quantique. Ces états intriqués peuvent être considérés comme des paniers remplis de pommes, dans lesquels les atomes sont les pommes. Avec le temps, certaines pommes commenceront à pourrir, et si ces pommes ne sont pas retirées du panier et remplacées par des fraîches, toutes les pommes pourriront rapidement. On ne sait pas vraiment comment empêcher complètement ces erreurs de se produire. La seule option viable aujourd’hui est donc de les détecter et de les corriger.
Innovations dans la détection et la correction des erreurs
Le nouveau système de détection d’erreurs est conçu de telle manière que les atomes erronés deviennent fluorescents ou s’allument lorsqu’ils sont frappés par un laser. « Nous disposons d’images des atomes brillants qui nous indiquent où se trouvent les erreurs. Nous pouvons donc soit les exclure des statistiques finales, soit appliquer des impulsions laser supplémentaires pour les corriger activement », explique Scholl.
La théorie pour mettre en œuvre la détection d’effacement en mode neutre atome systèmes a été développé pour la première fois par Jeff Thompson, professeur de génie électrique et informatique à université de Princeton, et ses collègues. Cette équipe a également récemment rapporté avoir démontré la technique dans la revue Nature.
En supprimant et en localisant les erreurs dans leur système atomique Rydberg, l’équipe Caltech affirme qu’elle peut améliorer le taux global d’intrication, ou fidélité. Dans la nouvelle étude, l’équipe rapporte que seulement une paire d’atomes sur 1 000 ne parvient pas à s’emmêler. Il s’agit d’une amélioration d’un facteur 10 par rapport à ce qui avait été réalisé précédemment et il s’agit du taux d’enchevêtrement le plus élevé jamais observé dans ce type de système.
En fin de compte, ces résultats sont de bon augure pour les plates-formes informatiques quantiques qui utilisent des réseaux d’atomes neutres Rydberg. « Les atomes neutres constituent le type d’ordinateur quantique le plus évolutif, mais jusqu’à présent, ils ne disposaient pas d’une fidélité d’intrication élevée », explique Shaw.
L’étude a été financée par la National Science Foundation (NSF) via l’Institute for Quantum Information and Matter, ou IQIM, basé à Caltech ; l’Agence des projets de recherche avancée de défense ; un prix NSF CAREER ; le Bureau de la recherche scientifique de l’Armée de l’Air ; les instituts NSF Quantum Leap Challenge ; l’accélérateur de systèmes quantiques du ministère de l’Énergie ; une bourse Taiwan-Caltech ; et une bourse postdoctorale Troesh. Parmi les autres auteurs affiliés à Caltech figurent l’étudiant diplômé Richard Bing-Shiun Tsai ; Ran Finkelstein, chercheur postdoctoral Troesh associé de recherche en physique ; et l’ancien postdoc Joonhee Choi, aujourd’hui professeur à l’Université de Stanford.
