Le plus grand défi dans le développement de l’ordinateur quantique consiste en le bruit magnétique et électrique qui perturbe l’effet quantique, et donc le processeur QPU (Quantum Processing Unit) est refroidi à la température la plus basse possible juste au-dessus du point zéro absolu de -273. degrés. Cela se produit dans le cryostat, comme on peut le voir sur la photo. Le processeur est situé au bas du cryostat. Crédit : Ola J. Joensen, NBI
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 du l’informatique quantique unité, 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 %.
Les résultats ont été publiés récemment dans la revue Communications naturelles.
« 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 Ph.D. Chercheur au NBI Fabrizio Berritta, auteur principal de l’étude.
Cette nouvelle approche est possible grâce aux développements récents dans plusieurs domaines de haute technologie.
« Auparavant, il y a vingt ans par exemple, il aurait été possible de visualiser les fluctuations après l’expérience, mais il aurait été trop lent d’utiliser ces informations pendant l’expérience elle-même. Nous utilisons la technologie FPGA (field-programmable-gate-array, ndlr) pour obtenir les mesures en temps réel. Et plus loin, nous utilisons apprentissage automatique pour accélérer l’analyse », explique Fabrizio Berritta, poursuivant :
« 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 informatiques quantiques.
Un qubit est l’équivalent d’un bit en informatique quantique avancée. Le qubit du projet est constitué de deux électrons piégés dans un cristal. Le spin des électrons (ici l’un a un spin vers le bas, l’autre vers le haut) peut être contrôlé en modifiant le gradient du champ magnétique ΔBz. Cependant, les bruits magnétiques et électriques affectent ce gradient. Un microprocesseur FPGA (Field-Programmable Gate Array) mesure en permanence le niveau de bruit et s’adapte aux changements en temps réel. Crédit : Fabrizio Berritta
Les propriétés quantiques ajoutent de la valeur
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 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, dont les états sont intriqués.
Le professeur Ferdinand Kuemmeth a été le superviseur de Fabrizio Beritta lors de son projet de doctorat au Centre des dispositifs quantiques de l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague. Crédit : Fabrizio Berritta
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.
Financée par l’UE, la nouvelle étude a rassemblé 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, la théorie de l’information quantique et l’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 Ferdinand Kuemmeth.
Une meilleure approche du bruit
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 de matériaux différents et avec plus d’un qubit », conclut Fabrizio Berritta :
« Je ne peux pas dire quand nous verrons le premier ordinateur quantique vraiment utile. Peut-être dans dix ans. En tout cas, nous pensons avoir trouvé une approche prometteuse. De nombreux collègues s’efforcent d’éliminer le bruit afin de développer de meilleurs qubits, par exemple en améliorant la qualité des matériaux utilisés pour fabriquer les qubits. Nous avons démontré que, dans certaines conditions, il est possible de s’adapter activement à une partie du bruit. Cela pourrait être pertinent pour d’autres types de qubits que celui de notre étude.
