Pour rendre les ordinateurs quantiques plus efficaces et plus fiables, certains de leurs composants de base doivent être constamment réutilisés – plusieurs conceptions d’ordinateurs quantiques peuvent désormais faire exactement cela.
L'optique interne du système AC1000 d'Atom Computing
Les ordinateurs quantiques fabriqués à partir de qubits basés sur des atomes extrêmement froids ont grossi à un rythme impressionnant, ce qui pourrait bientôt les rendre puissants sur le plan informatique – mais les erreurs surviennent à un rythme qui limite leur utilité. Aujourd’hui, les chercheurs ont trouvé comment reconstituer et réutiliser ces qubits pour rendre leurs calculs plus pratiques et plus fiables.
Tous les ordinateurs quantiques existants sont trop sujets aux erreurs pour effectuer des calculs qui sont à la fois utiles et leur donnent un avantage sur les ordinateurs traditionnels, mais les chercheurs ont fait de grands progrès dans le développement de systèmes de correction d'erreurs qui pourraient résoudre ce problème.
Dans l'un de ces schémas, les éléments constitutifs d'un ordinateur quantique, appelés qubits, sont divisés en deux groupes clés : les qubits chargés de manipuler les données et utilisés pour exécuter le calcul, et d'autres appelés « qubits auxiliaires », qui assurent le suivi des erreurs.
Créer de nombreux qubits de haute qualité pour l'un ou l'autre objectif constitue un défi technique de taille. C'est pourquoi Matt Norcia d'Atom Computing, une société américaine, et ses collègues ont mis au point un moyen de réutiliser ou de remplacer les qubits auxiliaires, en réduisant ainsi le nombre de qubits nécessaires. Ils ont désormais montré que leurs qubits de suivi des erreurs peuvent être recyclés 41 fois de suite.
« Tout calcul d'utilisation est susceptible d'être un calcul très long, vous devrez donc effectuer de nombreuses séries de mesures. Idéalement, vous souhaitez pouvoir réutiliser les qubits au cours de plusieurs tours afin de ne pas avoir à continuer à fournir davantage de qubits dans le système », explique Norcia.
Lui et ses collègues ont utilisé des qubits fabriqués à partir d’atomes d’ytterbium électriquement neutres refroidis à des températures très proches du zéro absolu à l’aide de lasers et d’impulsions électromagnétiques. Ils pourraient contrôler l’état quantique et les propriétés quantiques qui codent les informations pour chaque atome grâce à des lasers configurés en « pinces optiques ». L’équipe a utilisé cette technique pour organiser son ordinateur quantique en trois zones différentes.
Dans la première zone, 128 pinces optiques dirigeaient les qubits pour exécuter des calculs, tandis que dans la deuxième zone, 80 pinces contenaient des qubits qui pouvaient être utilisés pour des mesures d'erreurs et échangés à la place de tout qubit erroné. La troisième zone servait de stockage, contenant de l'espace pour 75 qubits supplémentaires qui venaient juste d'être mis dans un état utile. Ces deux dernières zones ont permis aux chercheurs soit de réinitialiser et de réutiliser les qubits auxiliaires, soit de les échanger contre de nouveaux.
Norcia dit que faire fonctionner cet arrangement était difficile car toute lumière parasite provenant d'un laser touchant un qubit proche peut perturber son fonctionnement. Pour cette raison, les chercheurs ont dû développer un contrôle précis de leurs lasers, mais aussi des moyens d’ajuster les états des qubits de données afin qu’ils restent « cachés » ou insensibles à certains types de lumière délétère, dit-il.
« La réutilisation d'Ancilla est d'une importance fondamentale pour le progrès de l'informatique quantique », déclare Yuval Boger de la société américaine d'informatique quantique QuEra. Sans cette capacité, même des calculs très modestes nécessiteraient des millions ou des milliards de qubits, ce qui n'est tout simplement pas plausible pour tout matériel informatique quantique existant ou sur le point d'être construit, dit-il.
Ce problème a été reconnu au sein de la communauté de recherche sur les qubits atomiques. « Je pense que tout le monde dans le domaine des atomes neutres (informatique quantique) comprend la nécessité de réinitialiser et de recharger les atomes tout au long d'un calcul », explique Norcia.
Par exemple, Boger souligne qu'une équipe de chercheurs de l'Université Harvard et du Massachusetts Institute of Technology a utilisé une méthode similaire pour faire fonctionner pendant plusieurs heures un ordinateur quantique composé de 3 000 atomes de rubidium ultrafroids. Certains ordinateurs quantiques dotés de qubits fabriqués à partir d’ions contrôlés par la lumière, comme la machine Helios récemment lancée par Quantinuum, peuvent également réutiliser les qubits.
