Les ordinateurs quantiques, les systèmes informatiques qui traitent les informations tirant parti des effets mécaniques quantiques, pourraient bientôt surpasser les ordinateurs classiques dans diverses tâches d'optimisation et de calcul.
Cependant, pour permettre leur fonctionnement fiable dans des paramètres du monde réel, les ingénieurs et les physiciens devraient être en mesure de contrôler et de comprendre précisément les états quantiques qui sous-tendent le fonctionnement des processeurs quantiques.
L'équipe de recherche dirigée par Dapeng Yu à la Shenzhen International Quantum Academy, à l'Université Tongji et à d'autres instituts de Chine a récemment introduit un nouvel outil mathématique qui pourrait être utilisé pour caractériser les états quantiques dans les processeurs quantiques avec une plus grande précision.
Leur méthode proposée, décrite dans un article publié dans Lettres d'examen physiquea été utilisé avec succès pour caractériser l'enchevêtrement entre 17 qubits dans un processeur quantique supraconducteur.
« Notre travail est né d'un problème fondamental dans les technologies de l'information quantique », a déclaré à Issues.fr Shuming Cheng, co-co-auteur du journal.
« Alors que nous développons les ordinateurs quantiques plus grands et plus puissants, comment pouvons-nous vérifier qu'ils fonctionnent et fonctionnent comme souhaité? Pour répondre à cette question, une méthode couramment utilisée est l'identification du système, y compris la tomographie à l'état quantique (QST) pour caractériser les états inconnus des systèmes quantiques, la tomodensitométrie pour les portes quantiques et la tomographie par détecteur pour les mesures. »
Malgré leur potentiel, le QST et d'autres méthodes existantes pour déterminer si les processeurs quantiques fonctionnent comme souhaité se sont révélés inefficaces, en particulier lorsqu'ils sont appliqués à des systèmes plus importants composés d'un plus grand nombre de qubits. En effet, ils nécessitent la collecte de nombreuses mesures physiques, tout en consommant également une puissance de calcul significative pour effectuer des analyses.
« Les limites de la QST et des méthodes similaires ont rendu incroyablement difficile de caractériser avec précision les systèmes quantiques à grande échelle que nous construisons », a déclaré Chang-Kang Hu, premier auteur du journal.
« L'objectif principal de notre étude était de développer une nouvelle méthode QST qui est plus évolutive et précise, même confrontée au bruit et aux limites pratiques du matériel quantique d'aujourd'hui. »
Nous visons à développer un outil utile capable de fournir une image complète de tout système quantique à grande échelle et également de certifier de manière concluante la présence d'un enchevêtrement multi-qubit véritable, ce qui est essentiel pour le calcul quantique et la communication.
« En termes relativement simples, notre approche peut être considérée comme utilisant un » algorithme intelligent « sophistiqué pour transformer une photographie floue et incomplète des systèmes quantiques en vigueur », a déclaré Cheng.
« Dans cette analogie, la« photographie »fait référence aux données brutes recueillies en faisant des mesures sur le processeur quantique, ce qui est généralement imparfait, en raison du bruit et d'un nombre limité de mesures. En conséquence, l'algorithme intelligent est ce que nous appelons un estimateur des moindres carrés de pureté-régularisé. »
Pour caractériser les états quantiques, les outils développés par Dian Tan et Song Liu, auteurs co-enniors de l'article, effectuent deux étapes principales. Premièrement, il essaie de trouver une description mathématique de l'état quantique qui a le mieux adapté la mesure collectée.
Notamment, cette première étape est également achevée par des stratégies QST introduites précédemment. La deuxième étape terminée par l'outil, appelé régularisation de la pureté, est l'aspect roman clé de la méthode de l'équipe.
« Notre méthode introduit un principe de guidage supplémentaire en ajoutant les connaissances sur la pureté de l'État dans le processus », a expliqué Tan.
«De manière générale, un état quantique« pur »est un état parfaitement défini et sans bruit, tandis qu'un état« mixte »est dégradé par le bruit et devient ainsi plus difficile à caractériser. déblure une image. «
Pour évaluer le potentiel de leur outil proposé, Hu et Tan, ainsi que leurs collègues, l'ont mis en œuvre sur un véritable processeur quantique supraconducteur qu'ils ont créé. Le processeur a été configuré pour générer des états multi-Qubit très enchevêtrés, en particulier le soi-disant Greenberger-Horne-Zilinger (GHZ), impliquant jusqu'à 17 qubits.
« Notre méthode a été utilisée pour reconstruire ces états à partir des données expérimentales et des résultats expérimentaux confirment qu'il réussit à atteindre une haute fidélité de 0,6817 (1) pour l'état GHz de 17 qubit », a déclaré Hu.
« Il s'agit d'un résultat remarquable pour un système de cette taille, où la fidélité de l'État est une mesure importante de la proximité de notre état reconstruit à l'état cible idéal. Nous pensons que notre étude contribue au domaine de la caractérisation et de l'analyse comparative des systèmes quantiques bruyants. »
La caractérisation de la tomographie complète de l'équipe d'un état de GHZ de 17 qubit est parmi les plus grandes reconstructions de l'État quantique effectuées à ce jour sur un système matériel. Les résultats qu'ils ont obtenus dans les tests initiaux mettent en évidence la précision et l'évolutivité de leur stratégie de caractérisation de l'état quantique.
« Notre méthode montre une précision supérieure par rapport à d'autres techniques communes, en particulier lors de l'utilisation d'un nombre limité et pratique de mesures », a déclaré Cheng.
« Ceci est extrêmement important, car il rend la caractérisation détaillée faisable pour les plus grands processeurs en cours de développement. De plus, les résultats de nos expériences certifient de manière concluante la présence d'un enchevêtrement véritable de 17 points dans notre processeur, confirmant qu'il peut générer de manière fiable les ressources quantiques complexes nécessaires à des calculs puissants. »
À l'avenir, l'approche développée par Hu, Tan et Cheng pourrait être utilisée par d'autres chercheurs pour évaluer de manière fiable la fonctionnalité des processeurs et caractériser leurs états quantiques sous-jacents. Cela pourrait à son tour aider à calibrer des processeurs quantiques et à découvrir les problèmes qui doivent être corrigées, ce qui peut contribuer potentiellement au déploiement généralisé futur des technologies quantiques.
« Notre objectif quasi-futur sera de repousser les limites de l'échelle en appliquant notre méthode à des systèmes quantiques encore plus grands et plus complexes », a ajouté Cheng.
«Au-delà de cela, nous prévoyons d'utiliser cet outil de haute précision pour analyser les états produits lors de l'exécution de différents algorithmes quantiques, ce qui nous permet de mieux comprendre comment le bruit affecte leurs performances et donc de développer des stratégies d'atténuation d'erreur plus efficaces.
« En fin de compte, notre approche fournit une voie efficace vers la caractérisation complète des systèmes quantiques bruyants à l'échelle intermédiaire, qui est une étape cruciale dans le voyage vers l'informatique quantique tolérante aux failles. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé 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.
