Les ordinateurs quantiques, qui fonctionnent en tirant parti des effets de mécanique quantique, pourraient bientôt surpasser les ordinateurs traditionnels dans certaines tâches d'optimisation et de simulation avancées. La plupart des systèmes informatiques quantiques développés jusqu'à présent stockent et traitent des informations à l'aide de qubits (unités quantiques d'informations qui peuvent exister dans une superposition de deux états).
Ces dernières années, cependant, certains physiciens et ingénieurs ont tenté de développer des ordinateurs quantiques basés sur des qudits, des unités à plusieurs niveaux d'informations quantiques qui peuvent contenir plus de deux états.
Les systèmes quantiques basés sur QuDIT pourraient stocker plus d'informations et effectuer des calculs plus efficacement que les systèmes basés sur Qubit, mais ils sont également plus sujets à la décohérence.
La décohérence est une perte d'informations quantiques résultant des interactions entre les unités quantiques d'informations et leur environnement environnant. La conception de stratégies fiables pour réduire la décohérence est un objectif de longue date dans les domaines de la physique quantique et de l'informatique quantique.
Des chercheurs de l'Université de Californie du Sud (USC) et de l'Université de Californie-Berkeley (UC Berkeley) ont développé de nouveaux protocoles pour le découplage dynamique (DD) des systèmes basés sur QuDIT, ce qui pourrait réduire la décohérence dans ces systèmes. Ces protocoles, décrits dans un article publié dans Lettres d'examen physiqueont été mis en œuvre et vérifiés expérimentalement sur un processeur transmon supraconducteur.
« Les systèmes quantiques à plusieurs niveaux, ou Qudits, détiennent un potentiel inexploité pour améliorer le traitement de l'information quantique et la simulation quantique », a déclaré à Issues.fr Daniel Lidar et Irfan Siddiqi, auteurs co-enniors de l'article.
« De tels systèmes QuDIT ont des interactions système de bain et de diaphonge quantique plus complexes que leurs homologues de qubit et faire fonctionner ces systèmes et les mettre à l'échelle est difficile, en particulier à la lumière de leur sensibilité et de leur complexité accrues. »
DD est une technique prometteuse pour protéger les états quantiques contre la décohérence, qui s'est avéré supprimer efficacement le bruit et les interactions cohérentes indésirables sur une variété de plateformes informatiques quantiques basées sur le qubit.
Le Lidar, Siddiqi et les membres de leurs équipes de recherche ont également décidé d'explorer le potentiel de cette technique de réduction de la décohérence dans les systèmes QuDIT, en particulier ceux qui reposent sur des Qudits transmones à base de transmon.
« Initialement, nos deux équipes relevaient de ce défi séparément, mais une rencontre fortuite lors de la réunion de mars 2024 entre les membres de nos équipes a conduit à une collaboration théorique étroite qui nous a permis de concevoir et de démontrer des stratégies efficaces pour supprimer la décohérence du Qudit et la diaphonge », a déclaré Lidar.
DD a été développé pour la première fois il y a plusieurs décennies, s'appuyant sur les résultats d'une expérience réalisée par le physicien Erwin Hahn en 1950, connu sous le nom de Spin Echo Experiment. Dans le cadre de ses recherches, Hahn a pu inverser les effets de déphasage en appliquant des impulsions de radiofréquence (RF) à un système fait de particules de rotation.
Les principes qui sous-tendent cette approche expérimentale sont à la base des techniques DD qui se sont révélées efficaces pour réduire la décohérence dans les systèmes quantiques. Depuis que Hahn a mené son expérience pour la première fois, ses méthodes ont été considérablement améliorées.
« La communauté de l'information quantique a considérablement développé ces premières idées ces dernières années, montrant que DD peut être considéré comme un type d'opération de symétrisation qui annule les interactions indésirables à tout ordre souhaité », a expliqué Lidar.
« Dans l'exemple le plus simple d'un qubit couplé à un bain qui provoque le déphasage, la DD peut être comprise comme des opérations qui évoluent constamment le système vers l'avant et vers l'arrière, et cette inversion temporelle efficace annule l'interaction système-bain. »
Dans le cadre de l'étude, Siddiqi et son équipe ont développé de nouvelles stratégies expérimentales, qui tiennent compte des interactions génériques de système de bain qui sont connues pour affecter l'ensemble de l'espace Transmon Hilbert à plusieurs niveaux.
Par la suite, ils ont profité du degré élevé de contrôle local qu'ils pourraient atteindre sur les systèmes quantiques à base de transmons supraconcants pour concevoir des protocoles DD qui suppriment efficacement les sources les plus complexes de bruit et les interactions intra-système indésirables dans ces systèmes.
« Pour y parvenir, nous avons utilisé des idées de la physique de l'appareil en combinaison avec les fondations théoriques du groupe de DD », a déclaré Lidar.
« Il est remarquable de voir à quel point les séquences DD assez simples se sont révélées à lutter contre le bruit et les interactions indésirables qui affligent ces systèmes à plusieurs niveaux complexes. Ces résultats ont été obtenus à un coût de ressources supplémentaire minimal: nous n'avions pas besoin de qubits ou qudits supplémentaires pour démontrer la suppression des erreurs. »
Jusqu'à présent, les nouveaux protocoles DD introduits par LiDAR et son équipe se sont révélés très efficaces pour supprimer la décohérence dans un processeur quantique supraconducteur basé sur QuDIT. À l'avenir, ils pourraient être appliqués à d'autres systèmes basés sur QuDIT, contribuant potentiellement à leur avancement et à leur déploiement du monde réel.
« Nous pensons que l'intégration de techniques DD à plusieurs niveaux du type que nous avons développées ici sera un composant essentiel pour permettre aux processeurs basés sur QuDIT de devenir plus compétitifs avec les approches de qubit dans des domaines tels que la correction d'erreur quantique et la simulation quantique », a déclaré Lidar et Siddiqi.
Les chercheurs mènent désormais d'autres études visant à évaluer les processeurs quantiques basés sur QuDIT et à améliorer leurs performances. Par exemple, ils essaient d'identifier des simulations de systèmes physiques ou de phénomènes qui pourraient être plus naturellement imités par ces architectures quantiques à plusieurs niveaux.
« De nombreux systèmes ou modèles d'intérêt pour notre champ, des neutrinos aux théories de la jauge de réseau, sont plus naturellement émulés sur le matériel quantique avec une structure spatiale Hilbert similaire », a ajouté Lidar et Siddiqi.
« Par exemple, les neutrinos ont trois états de saveurs; il est donc assez naturel d'étudier leur dynamique sur un système Qutrit (ou quantum à trois niveaux). Dans le domaine de l'amélioration des performances du processeur quantique, nous travaillons activement sur la façon d'améliorer la tolérance aux défauts et la correction des erreurs quantiques en exploitant l'espace Hilbert plus grand disponible dans ces systèmes tout en intégrant le bruit basé sur DD.
« Nous pensons que cette approche entraînera des exigences en matière de ressources inférieures de manière fiable et des seuils améliorés pour l'informatique quantique tolérante aux pannes. »
