Des chercheurs ont développé un nouveau système de correction d'erreurs pour les ordinateurs quantiques, utilisant des codes qLDPC et des réseaux d'atomes reconfigurables pour réduire les exigences physiques en qubits, améliorant ainsi l'évolutivité et l'efficacité. Crédit : Issues.fr.com
Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering ont développé un nouvel ordinateur quantique qui utilise des « atomes reconfigurables ». Ces qubits mobiles peuvent communiquer efficacement avec plusieurs voisins, améliorant ainsi les capacités de correction des erreurs.
UN Université de Chicago L'équipe a créé une nouvelle l'informatique quantique modèle qui utilise moins de qubits pour la correction des erreurs, améliorant l'efficacité et l'évolutivité grâce à des codes qLDPC innovants et reconfigurables atome tableaux.
Les qubits délicats des ordinateurs quantiques fournissent un outil de calcul puissant, mais posent également un défi : comment les ingénieurs peuvent-ils créer des systèmes quantiques pratiques et exploitables à partir de bits qui sont si facilement perturbés – et effacés de leurs données – par de minuscules changements dans leur environnement ?
Les ingénieurs ont longtemps cherché à réduire le risque d’erreurs dans les ordinateurs quantiques, souvent en développant des méthodes de détection et de correction des erreurs plutôt que de les prévenir. Cependant, de nombreux systèmes de correction d’erreurs impliquent la duplication d’informations sur des centaines ou des milliers de qubits physiques à la fois, ce qui devient rapidement difficile à mettre en œuvre de manière efficace.
Une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago a développé le plan d'un ordinateur quantique capable de corriger plus efficacement les erreurs. Le système utilise un nouveau cadre, basé sur des codes de contrôle quantique à faible densité (qLDPC) – qui peuvent détecter les erreurs en analysant la relation entre les bits – ainsi qu'un nouveau matériel impliquant des réseaux d'atomes reconfigurables, qui permettent aux qubits de communiquer avec davantage de voisins et donc de coder les données qLDPC dans moins de qubits.
« Avec ce projet, nous avons réduit les frais généraux nécessaires à la correction des erreurs quantiques, ce qui ouvre de nouvelles voies pour la mise à l'échelle des ordinateurs quantiques », a déclaré Liang Jiang, professeur d'ingénierie moléculaire et auteur principal du nouveau travail, publié dans Physique de la nature.
Bruit intrinsèque
Alors que les ordinateurs classiques utilisent des bits numériques (en position marche ou arrêt) pour encoder les données, les qubits peuvent exister dans des états de superposition, ce qui leur permet de résoudre de nouveaux problèmes informatiques. Cependant, les propriétés uniques des qubits les rendent également extrêmement sensibles à leur environnement ; ils changent d'état en fonction de la température et de l'électromagnétisme environnants.
« Les systèmes quantiques sont intrinsèquement bruyants. Il n’existe aucun moyen de construire une machine quantique qui ne contienne pas d’erreurs », a déclaré Qian Xu, un étudiant diplômé du PME qui a dirigé les nouveaux travaux. « Vous devez disposer d’un moyen de corriger activement les erreurs si vous voulez faire évoluer votre système quantique et le rendre utile pour des tâches pratiques. »
Au cours des dernières décennies, les scientifiques se sont principalement tournés vers un type de correction d'erreurs pour les systèmes quantiques, appelé codes de surface. Dans ces systèmes, les mêmes informations logiques sont codées simultanément en plusieurs bits physiques, disposés dans une grande grille bidimensionnelle. Les erreurs peuvent être déduites en comparant les qubits à leurs voisins directs. Une discordance suggère qu'un qubit a raté.
« Le problème, c’est que cela nécessite une énorme quantité de ressources », explique Xu. « Dans certains de ces systèmes, il faut mille qubits physiques pour chaque qubit logique. À long terme, nous ne pensons donc pas pouvoir faire évoluer ce système vers des ordinateurs de très grande taille. »
Réduire la redondance
Dans leur nouveau système, Jiang, Xu et leurs collègues de l'Université Harvard, de Caltech, de l'Université d'Arizona et de QuEra Computing ont cherché à utiliser des codes qLDPC pour corriger les erreurs. Ce type de correction d'erreurs avait été envisagé depuis longtemps, mais n'avait pas été mis en œuvre dans un plan réaliste.
Avec les codes qLDPC, les données des qubits ne sont pas seulement comparées à celles de leurs voisins directs, mais aussi à celles de qubits plus éloignés. Cela permet d'utiliser une grille de qubits plus petite pour obtenir le même nombre de comparaisons pour la correction d'erreurs. Cependant, ce type de communication longue distance entre qubits a toujours été le point de friction dans la mise en œuvre du qLDPC.
Les chercheurs ont trouvé une solution sous la forme d'un nouveau matériel : des atomes reconfigurables qui peuvent être déplacés avec des lasers pour permettre aux qubits de communiquer avec de nouveaux partenaires.
« Avec les systèmes de réseaux d'atomes reconfigurables d'aujourd'hui, nous pouvons contrôler et manipuler plus d'un millier de qubits physiques avec une grande fidélité et connecter des qubits séparés par une grande distance », a déclaré Harry Zhou de l'Université Harvard et de QuEra Computing. « En faisant correspondre la structure des codes quantiques et ces capacités matérielles, nous pouvons mettre en œuvre ces codes qLDPC plus avancés avec seulement quelques lignes de contrôle, ce qui rend leur réalisation à la portée des systèmes expérimentaux actuels. »
En combinant les codes qLDPC avec des matrices d’atomes neutres reconfigurables, l’équipe a pu obtenir un taux d’erreur plus faible qu’en utilisant des codes de surface avec seulement quelques centaines de qubits physiques. En passant à l’échelle supérieure, des algorithmes quantiques impliquant des milliers de qubits logiques ont pu être réalisés avec moins de 100 000 qubits physiques, ce qui est bien plus efficace que les codes de surface de référence.
« Il existe toujours une redondance en termes d'encodage des données dans plusieurs qubits physiques, mais l'idée est que nous avons considérablement réduit cette redondance », a déclaré Xu.
Le cadre est encore théorique, même si les scientifiques développent rapidement des plateformes de réseaux d'atomes qui évoluent vers une utilisation pratique du calcul quantique avec correction des erreurs. L'équipe PME travaille actuellement à affiner davantage son plan directeur et à garantir que les qubits logiques reposant sur des codes qLDPC et des réseaux d'atomes reconfigurables puissent être utilisés dans le calcul.
« Nous pensons qu’à long terme, cela nous permettra de construire de très grands ordinateurs quantiques avec des taux d’erreur plus faibles », a déclaré Xu.