Des chercheurs du Caltech ont mis au point une nouvelle méthode permettant de mesurer les taux d'erreur des ordinateurs quantiques à l'aide d'ordinateurs classiques, sans avoir recours à des simulations complètes. Cette avancée permet de surmonter les défis posés par les erreurs inhérentes aux systèmes quantiques et pourrait accélérer le développement de technologies informatiques quantiques plus précises. (Concept d'artiste.) Crédit : Issues.fr.com
Une nouvelle méthode utilise des ordinateurs classiques pour vérifier l’exactitude des systèmes quantiques complexes.
Les ordinateurs quantiques promettent de surpasser les ordinateurs classiques dans la résolution de problèmes complexes dans divers domaines tels que l'informatique, la médecine, les affaires, la chimie et la physique. Cependant, ces machines avancées n'ont pas encore atteint leur plein potentiel, car elles sont actuellement confrontées à des erreurs inhérentes. Les chercheurs travaillent avec diligence pour minimiser ces défauts et améliorer les performances des ordinateurs quantiques.
Une façon d’étudier ces erreurs est d’utiliser des ordinateurs classiques pour simuler les systèmes quantiques et vérifier leur précisionLe seul problème est que, à mesure que les machines quantiques deviennent de plus en plus complexes, exécuter des simulations sur des ordinateurs traditionnels prendrait des années, voire plus.
Des chercheurs du Caltech ont inventé une nouvelle méthode grâce à laquelle les ordinateurs classiques peuvent mesurer les taux d'erreur des machines quantiques sans avoir à les simuler entièrement. L'équipe décrit la méthode dans un article publié dans la revue Nature.
« Dans un monde parfait, nous souhaitons réduire ces erreurs. C’est le rêve de notre domaine », explique Adam Shaw, auteur principal de l’étude et étudiant diplômé qui travaille dans le laboratoire de Manuel Endres, professeur de physique à Caltech. « Mais en attendant, nous devons mieux comprendre les erreurs auxquelles notre système est confronté, afin de pouvoir travailler à les atténuer. Cela nous a motivés à proposer une nouvelle approche pour estimer le succès de notre système. »
Simulateurs quantiques et intrication
Dans cette nouvelle étude, l'équipe a réalisé des expériences en utilisant un type d'ordinateur quantique simple appelé simulateur quantique. Les simulateurs quantiques ont une portée plus limitée que les ordinateurs quantiques rudimentaires actuels et sont adaptés à des tâches spécifiques. Le simulateur du groupe est composé d'atomes de Rydberg contrôlés individuellement (des atomes dans des états hautement excités) qu'ils manipulent à l'aide de lasers.
L’une des caractéristiques clés du simulateur, comme de tous les ordinateurs quantiques, est l’intrication, un phénomène dans lequel certains atomes se connectent les uns aux autres sans se toucher. Lorsque les ordinateurs quantiques travaillent sur un problème, l’intrication se crée naturellement dans le système, reliant les atomes de manière invisible. L’année dernière, Endres, Shaw et leurs collègues ont révélé qu’à mesure que l’intrication grandit, ces connexions se propagent de manière chaotique ou aléatoire, ce qui signifie que de petites perturbations conduisent à de grands changements de la même manière que le battement d’ailes d’un papillon pourrait théoriquement affecter les conditions météorologiques mondiales.
Les ordinateurs classiques ne sont pas capables de simuler entièrement le fonctionnement des systèmes quantiques, en particulier ceux qui comportent plus de 30 qubits. À titre d’exemple hypothétique, si un ordinateur quantique devait créer la Joconde, il pourrait créer de nombreux détails, mais il serait sujet à des erreurs, d’où l’apparence floue du tableau de droite dans le concept de cet artiste. Un ordinateur classique ne pourrait pas créer les détails aussi bien que l’ordinateur quantique, mais pourrait approximer grossièrement la tâche de l’ordinateur quantique, d’où la pixellisation de l’image de gauche. Pour contourner cette limitation et mieux simuler les systèmes quantiques, les chercheurs ont utilisé une méthode permettant de modifier la quantité de « pixellisation » dans une simulation informatique classique, puis d’extrapoler à partir de ces résultats pour estimer le « flou » des systèmes quantiques. Crédit : Caltech
Limites des simulations classiques
On pense que cette complexité croissante est ce qui donne aux ordinateurs quantiques la capacité de résoudre certains types de problèmes beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques, comme ceux de la cryptographie, dans lesquels de grands nombres doivent être rapidement pris en compte.
Mais une fois que les machines atteignent un certain nombre d’atomes connectés, ou qubits, il n’est plus possible de les simuler à l’aide d’ordinateurs classiques. « Au-delà de 30 qubits, les choses deviennent folles », explique Shaw. « Plus il y a de qubits et d’intrications, plus les calculs sont complexes. »
Le simulateur quantique de la nouvelle étude comporte 60 qubits, ce qui, selon Shaw, le place dans un régime impossible à simuler avec exactitude. « Cela devient un dilemme. Nous voulons étudier un régime dans lequel les ordinateurs classiques ont du mal à fonctionner, mais nous nous appuyons toujours sur ces ordinateurs classiques pour déterminer si notre simulateur quantique est correct. » Pour relever le défi, Shaw et ses collègues ont adopté une nouvelle approche, en exécutant des simulations informatiques classiques qui permettent différents niveaux d’intrication. Shaw compare cela à la peinture avec des pinceaux de différentes tailles.
« Disons que notre ordinateur quantique peint le La Joconde « C'est une analogie », dit-il. « L'ordinateur quantique peut peindre très efficacement et, en théorie, parfaitement, mais il fait des erreurs qui tachent la peinture sur certaines parties du tableau. C'est comme si l'ordinateur quantique avait les mains tremblantes. Pour quantifier ces erreurs, nous voulons que notre ordinateur classique simule ce que l'ordinateur quantique a fait, mais notre La Joconde serait trop complexe pour cela. C'est comme si les ordinateurs classiques n'avaient que des pinceaux ou des rouleaux géants et ne pouvaient pas saisir les détails les plus fins.
« Au lieu de cela, nous avons de nombreux ordinateurs classiques qui peignent la même chose avec des pinceaux de plus en plus fins, puis nous plissons les yeux et estimons à quoi cela aurait ressemblé s'ils avaient été parfaits. Ensuite, nous utilisons cela pour comparer avec l'ordinateur quantique et estimer ses erreurs. Grâce à de nombreuses vérifications croisées, nous avons pu montrer que ce « plissement des yeux » est mathématiquement correct et donne la réponse assez précise. »
Les chercheurs ont estimé que leur simulateur quantique de 60 qubits fonctionnait avec un taux d’erreur de 91 % (ou un taux de précision de 9 %). Cela peut sembler faible, mais c’est en fait relativement élevé compte tenu de l’état actuel du domaine. À titre de référence, l’expérience Google de 2019, dans laquelle l’équipe a affirmé que son ordinateur quantique surpassait les ordinateurs classiques, avait une précision de 0,3 % (bien qu’il s’agisse d’un type de système différent de celui de cette étude).
Shaw déclare : « Nous disposons désormais d’une référence pour analyser les erreurs dans l'informatique quantique « Nous pouvons ainsi mesurer l’efficacité de ces améliorations au fur et à mesure que nous améliorons le matériel. De plus, grâce à ce nouveau benchmark, nous pouvons également mesurer le degré d’intrication impliqué dans une simulation quantique, un autre indicateur de son succès. »
La recherche a été financée par la National Science Foundation (en partie via l'Institute for Quantum Information and Matter, ou IQIM) de Caltech et la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), le Bureau de recherche de l'armée, l'accélérateur de systèmes quantiques du département américain de l'énergie, la bourse postdoctorale Troesh, l'Académie nationale allemande des sciences Leopoldina et l'Institut Walter Burke de physique théorique de Caltech.
