Les systèmes d’information quantiques, c’est-à-dire les systèmes qui traitent, stockent ou transmettent des informations en tirant parti des effets de la mécanique quantique, pourraient, en principe, surpasser les systèmes classiques dans certaines tâches d’optimisation, de calcul, de détection et d’apprentissage. Un aspect important de la science de l'information quantique est la quantification fiable des états quantiques dans un système, afin de vérifier qu'ils correspondent aux états souhaités (c'est-à-dire cibles).
Les protocoles conventionnels permettant de vérifier les états quantiques s'appuient sur des circuits quantiques profonds exigeants sur le plan expérimental ou sur un nombre exponentiel de mesures d'un seul qubit. Cela les rend peu pratiques pour les applications du monde réel, en particulier pour quantifier des états hautement intriqués dans des systèmes d’information quantiques plus vastes.
Des chercheurs du California Institute of Technology ont récemment développé une approche plus évolutive qui pourrait être utilisée pour quantifier et vérifier presque tous les états quantiques. Ce protocole nouvellement introduit, présenté dans un article publié dans Physique naturellerepose sur beaucoup moins de mesures et de calculs sur un seul qubit que les approches proposées précédemment.
« Notre motivation initiale provenait de la nécessité de vérifier les représentations des réseaux neuronaux des états quantiques », a déclaré Hsin-Yuan (Robert) Huang, auteur de l'article, à Issues.fr. « Les réseaux de neurones se sont révélés remarquablement puissants pour représenter divers états quantiques, y compris ceux présentant un enchevêtrement extrêmement élevé. Cependant, comme dans les modèles d'IA génératifs quotidiens, tels que ChatGPT, ces modèles peuvent halluciner des modèles qui ne sont pas présents dans les données réelles. »
Une fois qu'un algorithme d'apprentissage profond est entraîné sur des mesures expérimentales d'un état quantique, il peut parfois apprendre de « fausses » corrélations au lieu de véritables caractéristiques quantiques ; un phénomène appelé « hallucination ». S’il apprend ces fausses corrélations, le modèle en question ne sera plus en mesure de représenter de manière fiable un état quantique ni d’offrir des informations susceptibles d’aider à tirer des conclusions scientifiques sur le système quantique mesuré.
« Notre objectif principal était de développer une approche rigoureuse pour vérifier que le modèle de réseau neuronal représente fidèlement l'état du laboratoire, garantissant ainsi que les scientifiques peuvent utiliser ces modèles en toute confiance pour la recherche quantique », a déclaré Huang.
Le nouveau protocole développé par Huang et ses collègues est étonnamment simple, mais il s'est jusqu'à présent révélé très efficace. Essentiellement, l'approche fonctionne en sélectionnant au hasard un qubit dans le système quantique examiné et en mesurant un opérateur de Pauli sélectionné au hasard dans ce qubit (c'est-à-dire l'une des trois caractéristiques quantiques observables clés), tout en mesurant tous les autres qubits sur une base standard.
« En répétant cette procédure un nombre polynomial de fois, nous prouvons que les données de mesure vérifient efficacement si l'état cible correspond à l'état du laboratoire », a expliqué Huang. « Le principal avantage est que cela ne nécessite que des mesures sur un seul qubit. Aucune capacité avancée de calcul quantique ni opération d'intrication n'est nécessaire pour mettre en œuvre notre protocole. De plus, nous prouvons que ces mesures simples sur un seul qubit fonctionnent pour presque tous les états cibles, même ceux avec une complexité de circuit exponentiellement élevée et un enchevêtrement maximal. «
Les chercheurs ont montré que mesurer des qubits individuels de cette manière aléatoire leur permettait de déterminer si un système à plusieurs qubits était proche de son état quantique cible. Leur article suggère notamment que leur approche pourrait être applicable à la vérification de presque tous les états quantiques.
« Cela signifie que les mesures locales d'un seul qubit peuvent révéler l'intrication complexe et les corrélations quantiques couvrant l'ensemble du système », a déclaré Huang. « Avant ce travail, la compréhension dominante était que de telles mesures locales ne pouvaient sonder que les corrélations locales, mais pas les propriétés quantiques globales telles que l'intrication hautement non locale dans l'ensemble du système à N corps. Nos résultats changent fondamentalement cette perspective, montrant que de simples mesures locales contiennent beaucoup plus d'informations sur la structure quantique globale que ce qui était reconnu auparavant. «
Le nouveau protocole introduit par Huang et ses collègues pourrait bientôt être validé davantage par des tests impliquant divers systèmes quantiques créés en laboratoire. D’autres équipes de recherche pourraient également utiliser cette approche ou en concevoir des similaires pour quantifier les états quantiques qui émergent dans les systèmes qu’elles développent.
« Nous explorons maintenant les implications plus larges de ce fait surprenant selon lequel les mesures sur un seul qubit suffisent à découvrir une structure d'intrication hautement non locale », a ajouté Huang.
« Cela impliquera le développement de protocoles améliorés pour l'analyse comparative des dispositifs quantiques, la vérification des modèles de réseaux neuronaux d'états quantiques et l'extension de la certification à d'autres objets quantiques tels que la dynamique quantique et les canaux quantiques. Nous souhaitons également comprendre les limites fondamentales de ce qui peut être appris à partir de mesures locales et développer des algorithmes d'apprentissage quantiques efficaces qui exploitent ces informations. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, 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 maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
