Une nouvelle méthode pour augmenter les performances des ordinateurs quantiques

• Les chercheurs conçoivent une méthode théorique pour améliorer les performances de l'informatique quantique.
• La méthode est connue sous le nom de découplage dynamique et elle a fonctionné sur 2 ordinateurs quantiques à petite échelle.
• Il ne nécessite pas de surcharge d'encodage et fonctionne en transformant les portes quantiques en impulsion de découplage.

Le concept d'informatique quantique a été introduit au début des années 1980. L'idée est d'utiliser des bits quantiques (qubits qui peuvent être dans des superpositions d'états) au lieu de bits binaires pour effectuer des calculs en toute sécurité et à une vitesse extrêmement rapide.

Trois décennies plus tard, le domaine de l'informatique quantique en est encore à ses balbutiements. Bien que des centaines de tests aient été menés dans lesquels des calculs quantiques ont été exécutés sur un petit nombre de qubits.

Les ordinateurs quantiques devraient être plusieurs millions de fois plus rapides que les superordinateurs d'aujourd'hui, et ils ont le potentiel de révolutionner l'industrie de la finance, de la défense, des technologies de l'information et de la médecine. Ils utilisent le comportement des atomes pour effectuer des tâches incroyablement complexes à des vitesses extrêmement rapides.

Ils présentent cependant certaines limites. Ils sont très sujets aux erreurs et nécessitent de la stabilité pour soutenir les opérations. Habituellement, ils ne fonctionnent pas correctement et produisent de mauvais résultats. Les chercheurs du monde entier n'ont toujours pas réussi à mettre au point une machine quantique qui surpasse un ordinateur traditionnel dans n'importe quelle tâche.

Le principal problème avec les ordinateurs quantiques actuels est le « bruit » – les perturbations causées par les vibrations, la température et le son. Il génère de la décohérence, qui peut rendre les qubits instables en perturbant la durée d'un état quantique. Cela diminue le temps qu'une machine quantique peut effectuer avec précision une tâche (sans erreur).

Une machine quantique avec trop de décohérence ne sert à rien. Si vous pouvez résoudre ce problème, vous pouvez atteindre le point où l'informatique quantique devient pratique et plus productive que les ordinateurs conventionnels.

Récemment, des chercheurs de l'Université de Californie du Sud ont révélé une méthode théorique pour améliorer les performances de l'informatique quantique. Il corrige une faiblesse des ordinateurs quantiques actuels en minimisant les calculs erronés tout en augmentant la fidélité des résultats. La méthode est connue sous le nom de découplage dynamique (DD) et elle a fonctionné sur 2 ordinateurs quantiques.

DD est développé pour supprimer la décohérence grâce à l'application d'impulsions appliquées au système, qui annulent l'interaction entre le système et l'environnement à un ordre donné dans la théorie des perturbations dépendantes du temps. Dans l'ensemble, il ne nécessite pas de surcoût d'encodage et fonctionne en transformant les portes quantiques en impulsion de découplage.

Référence : lettres d'examen physique | doi:10.1103/PhysRevLett.121.220502 | USC

Les séquences temporelles de ces tests étaient très courtes :200 impulsions ont été enregistrées en 0,6 microseconde.

Application du découplage dynamique dans la machine quantique d'aujourd'hui

Les chercheurs ont testé DD sur 2 ordinateurs quantiques - le QX5 à 16 qubits d'IBM et le Acorn à 19 qubits de Rigetti - et ils ont découvert qu'il est plus facile et plus fiable que d'autres méthodes. Il convient à la mise en œuvre dans les ordinateurs quantiques existants à petite échelle basés sur le cloud.

Le processeur quantique à 8 qubits | Crédit image : Rigetti Computing

La méthode peut protéger dans une certaine mesure les états à deux qubits intriqués. Différentes séquences de découplage dynamique peuvent atténuer à la fois les erreurs de déphasage et d'émission spontanée. Contrairement aux études précédentes, ils n'ont pas utilisé de code de correction d'erreur quantique et ont ainsi obtenu des améliorations exceptionnelles de la fidélité par rapport à la décohérence naturelle.

La fidélité finale du QX5 d'IBM est passée de 28,9 % à 88,4 %, tandis que pour l'Acron de Rigetti, elle s'est améliorée de 59,8 % à 77,1 %. Les chercheurs ont également découvert que plus d'avantages permettent toujours aux améliorations de fidélité de se maintenir plus longtemps dans l'ordinateur quantique Rigetti, alors que pour l'ordinateur IBM, il y avait une limite d'environ 100 impulsions.

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Dans l'ensemble, l'étude montre que le mécanisme de découplage dynamique fonctionne bien mieux que les techniques de correction d'erreur quantique existantes.