Les ordinateurs quantiques, les systèmes qui effectuent des calculs en tirant parti des effets mécaniques quantiques, pourraient surpasser les ordinateurs classiques dans certaines tâches d'optimisation et de traitement de l'information. Cependant, comme ces systèmes sont fortement influencés par le bruit, ils doivent intégrer des stratégies qui minimiseront les erreurs qu'ils produisent.
Une solution proposée pour activer l'informatique quantique tolérante aux pannes à travers un large éventail d'opérations est connue sous le nom de distillation de l'état magique. Cette approche consiste à préparer des états quantiques spéciaux (c'est-à-dire des états magiques) qui peuvent ensuite être utilisés pour effectuer un ensemble d'opérations universels. Cela permet la construction d'un ordinateur quantique universel – un appareil qui peut effectuer de manière fiable toutes les opérations nécessaires à la mise en œuvre de tout algorithme quantique.
Pourtant, bien que les techniques de distillation de l'état magique puissent obtenir de bons résultats, ils consomment généralement un grand nombre de qubits protégés par des erreurs et doivent effectuer de nombreux cycles de correction d'erreur. Cela a jusqu'à présent limité leur potentiel d'applications du monde réel.
Des chercheurs de la CNRS d'Alice & Bob et de l'Université PSL, INRIA, ont récemment introduit la distillation dépliée, un protocole alternatif qui réduit les ressources nécessaires pour préparer les états magiques. Le protocole nouvellement développé, décrit dans un article publié sur le arxiv Un serveur préalable, s'est avéré permettre la préparation des états magiques avec moins de qubits et moins d'opérations, à condition que les Qubits présentent un biais de bruit.
« L'objectif principal était de déterminer dans quelle mesure nous pourrions réduire le coût de la préparation de l'état magique pour une architecture de qubit à bruit biaisé », Diego Ruiz, auteur de The Paper and Ph.D. Étudiant chez Alice & Bob, a déclaré à Issues.fr. « Les états magiques sont un élément crucial de l'informatique quantique, car ils nous permettent d'implémenter toutes les portes nécessaires pour effectuer tout algorithme quantique possible. Bien qu'il soit connu que les qubits de bruit biaisés, tels que les qubits de chat, pouvaient réduire considérablement le coût de la mémoire quantique, leur impact sur le calcul quantique avec les états magiques était moins clair. »
Dans de nombreuses études antérieures, la préparation des États magiques s'est avérée être l'aspect plus intensif en ressources du calcul quantique. Les qubits à bruit biaisé sont conçus pour améliorer l'efficacité du matériel en supprimant un type d'erreur quantique: les flips de bit, dans le cas des qubits de chat d'Alice & Bob. L'objectif clé des travaux récents de Ruiz et de ses collègues était de concevoir un schéma qui exploite le biais de bruit d'un système quantique pour réduire les frais généraux de la préparation de l'état magique, et qui pourrait également être appliqué en milieu pratique en utilisant des dispositions de qubit 2D et avec des taux d'erreur réalistes.
« Nous introduisons une méthode appelée distillation dépliée qui réduit le coût de la préparation de l'état magique à la fois dans l'espace et dans le temps », a expliqué Ruiz. « La distillation de l'état magique est l'un des principaux moyens de préparer les états magiques, mais parce qu'il fonctionne au niveau logique, il est très coûteux. Notre construction gère la distillation au niveau physique, profitant du fait que les qubits de bruit biaisés suppriment le besoin de certains vérifications d'erreur. »
Le code de correction des erreurs utilisé par la plupart des techniques de distillation de l'état magique est le soi-disant code Reed-Muller. Il s'agit d'un code conçu à l'origine pour les systèmes informatiques classiques mais qui a été adapté plus tard pour la correction d'erreur quantique.
« Le code Reed-Muller nécessite une architecture 3D pour les qubits sans biais de bruit, ce qui est très difficile à mettre en œuvre dans la pratique », a déclaré Ruiz.
« Ce code peut être déplié en 2D lorsque vous travaillez avec des qubits avec un biais de bruit, comme le font Alice & Bob. Par exemple, ce déroulement nous permet de préparer des états magiques à haute fidélité avec seulement environ 53 qubits et environ 5,5 tours de correction d'erreur à un biais de bruit très élevé. »
Lorsque les chercheurs ont simulé leur protocole proposé, ils ont constaté qu'il atteignait un taux d'erreur logique d'environ 10⁻⁷ en utilisant sur un ordre de grandeur moins de cycles de qubit que les schémas de pointe pour les qubits de bruit biaisés et impartiaux. Notamment, le protocole fonctionne également avec des portes à deux qubits disposées dans une configuration 2D, ce qui signifie qu'elle est compatible avec les architectures matérielles actuelles, telles que celles basées sur des qubits supraconducteurs et des qubits de chat.
À l'avenir, le protocole de distillation déplié pourrait aider à réduire la taille et le coût des systèmes nécessaires pour préparer les états magiques. Cela pourrait, à son tour, aider à améliorer les performances et la fiabilité des systèmes informatiques quantiques.
« Notre protocole nous rapproche du calcul quantique tolérant aux défauts économe en fin de matériel pour les plates-formes telles que les qubits de chat supraconductrices », a ajouté Ruiz. « Plusieurs directions sont intéressantes à poursuivre ensuite. L'une consiste à pousser le schéma à des fidélités encore plus élevées en augmentant la distance de code, il peut donc être utilisé autonome sans concaténation avec les protocoles de distillation habituels. Un autre pourrait être de préparer des états magiques pour implémenter directement la porte de Toffoli, qui est très utile dans certains algorithmes. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Stephanie Baum, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
