Les chercheurs ont développé un nouveau protocole pour l'analyse comparative des portes quantiques, une étape critique vers la réalisation du plein potentiel de l'informatique quantique et potentiellement accélérer les progrès vers des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes.
Le nouveau protocole, appelé analyse comparative déterministe (DB), fournit une méthode plus détaillée et plus efficace pour identifier des types spécifiques de bruit quantique et d'erreurs par rapport aux techniques existantes largement utilisées.
L'œuvre est publiée dans la revue Revues chimiques.
« L'informatique quantique est finalement limitée par la façon dont nous pouvons mettre en œuvre avec précision les portes: les opérations de base d'un processeur quantique », a déclaré Daniel Lidar, co-correspondant l'auteur de l'étude et professeur d'ingénierie électrique et informatique, de chimie, de physique et d'astronomie à l'USC Viterbi School of Engineering et à l'USC Dornsefe College of Letters, Arts and Sciences.
« Notre nouveau protocole peut identifier les types d'erreur cohérents et incohérents en utilisant juste une poignée d'expériences simples, ce qui la rend beaucoup plus efficace que les approches actuelles. »
Portes et erreurs quantiques
L'informatique quantique peut avoir le potentiel de résoudre des problèmes complexes qui sont hors de portée des ordinateurs traditionnels ou classiques. Cependant, la précision des calculs quantiques dépend fortement des performances des portes quantiques, qui sont sujettes à des erreurs dues au bruit et à la mauvaise étalonnage.
Les portes quantiques effectuent des opérations sur des qubits, qui sont l'équivalent quantique des bits informatiques classiques; Ils sont essentiels pour construire des algorithmes quantiques et sont les éléments constitutifs fondamentaux des circuits quantiques et des calculs quantiques. Ils permettent aux ordinateurs quantiques d'exécuter des algorithmes qui sont exponentiellement plus rapides que les algorithmes fonctionnant sur des ordinateurs classiques pour certaines tâches.
Cependant, les portes quantiques sont sensibles au bruit et aux erreurs, c'est pourquoi l'analyse comparative et la correction d'erreurs sont des domaines de recherche critiques dans l'informatique quantique.
Les deux catégories principales sont des erreurs cohérentes et incohérentes. Les erreurs cohérentes sont des erreurs déterministes et reproductibles qui préservent la pureté de l'état quantique. Les erreurs cohérentes s'accumulent sous forme d'amplitudes (plutôt que de probabilités), conduisant potentiellement à une accumulation d'erreur quadratiquement plus rapide que les erreurs incohérentes.
Les erreurs incohérentes sont une catégorie d'erreurs résultant de l'interaction des systèmes quantiques avec l'environnement; Ces erreurs volent les ordinateurs quantiques de leur quantumness, ce qui les laisse ne mieux que les ordinateurs classiques.
Les physiciens ont récemment réalisé le rôle important que jouent les erreurs cohérentes dans la limitation des performances des ordinateurs quantiques. Eli Levenson-Falk, co-correspondant auteur de l'étude et professeur adjoint de physique et d'astronomie et d'ingénierie électrique et informatique à l'USC Dornsife, souligne l'importance d'une analyse comparative précise des erreurs de porte.
« Ce qui est unique dans notre approche, c'est qu'il peut clairement distinguer les différents types d'erreurs quantiques », a déclaré Levenson-Falk. « Ceci est crucial car certains types d'erreurs, en particulier les erreurs cohérentes, peuvent être plus destructeurs pour les algorithmes quantiques et nécessiter des stratégies d'atténuation différentes. »
L'analyse comparative déterministe améliore l'efficacité
Les repères quantiques sont un ensemble de protocoles et de méthodes utilisés pour évaluer les performances de l'ordinateur quantique global, qui comprend ses portes, ses circuits et ses processeurs. Ces protocoles sont cruciaux pour le développement et l'optimisation des technologies de calcul quantique en fournissant des mesures quantitatives de la façon dont les opérations quantiques sont effectuées en présence de bruit et d'erreurs.
Lidar, qui occupe des postes de professeurs à la USC Viterbi School of Engineering et à l'USC Dornsife College of Letters, Arts, and Sciences, a déclaré que la référence déterministe (DB) est une progression importante de l'informatique quantique car elle est déterministe et efficace. Contrairement à d'autres méthodes d'analyse comparative, DB utilise un petit ensemble fixe de séquences de paires d'impulsions simples plutôt que de faire la moyenne sur des circuits aléatoires.
Les chercheurs ont déclaré que la clé pour comprendre la percée de la DB est de la comparer à la benchmarking randomisée (RB), une méthode largement utilisée pour estimer le taux d'erreur moyen des portes quantiques. Contrairement à RB, qui fait en moyenne de nombreuses séquences de portes aléatoires pour fournir une seule métrique d'erreur, DB utilise des séquences conçues pour détecter des sources d'erreur spécifiques qui passent inaperçues lorsque RB est utilisé.
Une nouvelle méthode ouvre des opportunités de progrès en chimie quantique, science des matériaux
Les chercheurs ont démontré la DB sur un qubit transmon supraconducteur – un type largement utilisé de qubit supraconducteur dans l'informatique quantique – pour montrer sa capacité à détecter de petits changements dans les paramètres de qubit qui sont invisibles aux techniques d'analyse d'analyse standard.
« En menant plusieurs expériences, nous avons démontré la variété des capacités de DB », a déclaré Lidar. Il a déclaré que la capacité remarquable de la DB est qu'elle fournit des informations détaillées sur les erreurs cohérentes et incohérentes, permettant un meilleur étalonnage des portes quantiques. La DB nécessite également moins de cycles expérimentaux que RB, ce qui améliore l'efficacité des ressources.
La recherche a des implications importantes pour la chimie quantique et les applications de science des matériaux, où les opérations précises des portes sont essentielles pour obtenir des simulations fiables de systèmes moléculaires.
Les chercheurs prévoient d'explorer des moyens d'étendre la DB à des portes à deux qubit, ce qui pourrait conduire à des circuits quantiques plus complexes. De plus, ils étudient comment la DB peut être adaptée à d'autres plates-formes informatiques quantiques au-delà des qubits supraconducteurs, tels que des ions piégés et des systèmes photoniques.
