Trouver et effacer les erreurs de l’informatique quantique en temps réel

Grâce à une impulsion lumineuse rapide, les chercheurs peuvent désormais rechercher et effacer les erreurs en temps réel.

Les chercheurs ont développé une méthode capable de révéler l’emplacement des erreurs dans les ordinateurs quantiques, ce qui les rend jusqu’à dix fois plus faciles à corriger. Selon les chercheurs, cela accélérera considérablement les progrès vers des ordinateurs quantiques à grande échelle capables de résoudre les problèmes informatiques les plus complexes au monde.

Dirigé par université de PrincetonSelon Jeff Thompson, l’équipe a démontré un moyen d’identifier plus facilement que jamais les erreurs qui se produisent dans les ordinateurs quantiques. Il s’agit d’une nouvelle orientation pour la recherche sur l’informatique quantique matériel, qui cherche le plus souvent simplement à réduire la probabilité qu’une erreur se produise en premier lieu.

Approche innovante en informatique quantique

Un article détaillant la nouvelle approche a été récemment publié dans la revue Nature. Les collaborateurs de Thompson incluent Shruti Puri à Université de Yale et Guido Pupillo à l’Université de Strasbourg.

Les physiciens inventent de nouveaux qubits – le composant essentiel des ordinateurs quantiques – depuis près de trois décennies et améliorent régulièrement ces qubits pour les rendre moins fragiles et moins sujets aux erreurs. Mais certaines erreurs sont inévitables, quelle que soit la qualité des qubits. Le principal obstacle au développement futur des ordinateurs quantiques est la capacité à corriger ces erreurs. Cependant, pour corriger une erreur, vous devez d’abord déterminer si une erreur s’est produite et où elle se trouve dans les données. Et généralement, le processus de recherche d’erreurs introduit davantage d’erreurs, qui doivent être retrouvées, et ainsi de suite.

La capacité des ordinateurs quantiques à gérer ces erreurs inévitables est restée plus ou moins stagnante au cours de cette longue période, selon Thompson, professeur agrégé de génie électrique et informatique. Il s’est rendu compte qu’il était possible de biaiser certains types d’erreurs.

« Toutes les erreurs ne se valent pas », a-t-il déclaré.

Des chercheurs dirigés par Jeff Thompson de l’Université de Princeton ont développé une technique permettant de corriger 10 fois plus facilement les erreurs d’un ordinateur quantique. Crédit : Frank Wojciechowski

Avancées dans la correction des erreurs quantiques

Le laboratoire de Thompson travaille sur un type d’ordinateur quantique basé sur des atomes neutres. À l’intérieur de la chambre à ultra-vide qui définit l’ordinateur, les qubits sont stockés dans la rotation d’atomes d’ytterbium individuels maintenus en place par des faisceaux laser focalisés appelés pinces optiques. Dans ce travail, une équipe dirigée par l’étudiant diplômé Shuo Ma a utilisé un tableau de 10 qubits pour caractériser la probabilité d’erreurs survenant tout d’abord en manipulant chaque qubit isolément, puis en manipulant des paires de qubits ensemble.

Ils ont trouvé des taux d’erreur proches de l’état de l’art pour un système de ce type : 0,1 % par opération pour des qubits uniques et 2 % par opération pour des paires de qubits.

Cependant, le principal résultat de l’étude n’est pas seulement les faibles taux d’erreur, mais aussi une manière différente de les caractériser sans détruire les qubits. En utilisant un ensemble différent de niveaux d’énergie au sein du atome Pour stocker le qubit, par rapport aux travaux antérieurs, les chercheurs ont pu surveiller les qubits pendant le calcul pour détecter l’apparition d’erreurs en temps réel. Cette mesure fait que les qubits comportant des erreurs émettent un flash de lumière, tandis que les qubits sans erreurs restent sombres et ne sont pas affectés.

Ce processus convertit les erreurs en un type d’erreur appelé erreur d’effacement. Les erreurs d’effacement ont été étudiées dans le contexte des qubits fabriqués à partir de photons et sont connues depuis longtemps pour être plus simples à corriger que les erreurs situées dans des emplacements inconnus, a déclaré Thompson. Cependant, ce travail est la première fois que le modèle d’erreur d’effacement est appliqué à des qubits basés sur la matière. Cela fait suite à une proposition théorique de l’année dernière de Thompson, Puri et Shimon Kolkowitz de l’Université de Californie à Berkeley.

Dans la démonstration, environ 56 % des erreurs d’un qubit et 33 % des erreurs de deux qubits étaient détectables avant la fin de l’expérience. Surtout, le fait de vérifier les erreurs ne provoque pas beaucoup plus d’erreurs : les chercheurs ont montré que la vérification augmentait le taux d’erreurs de moins de 0,001 pour cent. Selon Thompson, la fraction d’erreurs détectées peut être améliorée grâce à une ingénierie supplémentaire.

L’intérieur du système informatique quantique à atomes neutres à base d’ytterbium développé dans le laboratoire de Thompson. Crédit : Frank Wojciechowski

Résultats importants et implications futures

Les chercheurs estiment qu’avec cette nouvelle approche, près de 98 % de toutes les erreurs devraient être détectables grâce à des protocoles optimisés. Cela pourrait réduire les coûts de calcul liés à la mise en œuvre de la correction d’erreurs d’un ordre de grandeur ou plus.

D’autres groupes ont déjà commencé à adapter cette nouvelle architecture de détection d’erreurs. Des chercheurs d’Amazon Web Services et un groupe distinct de Yale ont montré de manière indépendante comment ce nouveau paradigme peut également améliorer les systèmes utilisant des qubits supraconducteurs.

« Nous avons besoin de progrès dans de nombreux domaines différents pour permettre une informatique quantique utile à grande échelle. L’un des défis de l’ingénierie des systèmes est que les avancées que vous proposez ne s’additionnent pas toujours de manière constructive. Ils peuvent vous tirer dans différentes directions », a déclaré Thompson. « Ce qui est intéressant avec la conversion par effacement, c’est qu’elle peut être utilisée dans de nombreux qubits et architectures informatiques différents, elle peut donc être déployée de manière flexible en combinaison avec d’autres développements. »

Les autres auteurs de l’article « Portes haute fidélité avec conversion d’effacement à mi-circuit dans un qubit d’atome neutre métastable » incluent Shuo Ma, Genyue Liu, Pai Peng, Bichen Zhang et Alex P. Burgers, à Princeton ; Sven Jandura à Strasbourg ; et Jahan Claes à Yale. Ce travail a été soutenu en partie par l’Army Research Office, l’Office of Naval Research, DARPAla National Science Foundation et la Sloan Foundation.