Découplage dynamique : une percée pour améliorer les performances des ordinateurs quantiques

• Des chercheurs conçoivent une méthode théorique pour améliorer les performances de l'informatique quantique.
• La méthode, appelée Découplage Dynamique, a fonctionné sur 2 petits ordinateurs quantiques.
• Elle ne nécessite pas de surcodage et fonctionne en transformant les portes quantiques en impulsions 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 en superposition d'états) au lieu de bits binaires pour effectuer des calculs de manière sécurisée et à une vitesse extrême.

Trois décennies plus tard, le domaine de l'informatique quantique est encore à ses débuts. 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 la finance, la défense, les technologies de l'information et l'industrie médicale. Ils utilisent le comportement des atomes pour effectuer des tâches incroyablement complexes à des vitesses extrêmes.

Ils ont cependant certaines limitations. 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 obtenir une machine quantique qui surpasse un ordinateur traditionnel dans une quelconque tâche.

Le principal problème des ordinateurs quantiques actuels est le « bruit » – perturbation causée 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 pendant lequel une machine quantique peut effectuer une tâche avec précision (sans erreurs).

Une machine quantique avec trop de décohérence n'a aucune utilité. 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. Elle répond à 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 a fonctionné sur 2 ordinateurs quantiques.

Le DD est développé pour supprimer la décohérence par 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 dépendante du temps. Dans l'ensemble, il ne nécessite pas de surcodage et fonctionne en transformant les portes quantiques en impulsions de découplage.

Référence : Physical Review Letters | doi:10.1103/PhysRevLett.121.220502 | USC

Les séquences temporelles pour ces tests étaient très courtes : 200 impulsions enregistrées en 0,6 microsecondes.

Application du découplage dynamique dans les machines quantiques d'aujourd'hui

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

Processeur quantique 8 qubits | Crédit image : Rigetti Computing

La méthode peut protéger les états intriqués à deux qubits dans une certaine mesure. 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 fidélité contre la décohérence naturelle.

La fidélité finale pour le QX5 d'IBM est passée de 28,9 % à 88,4 %, tandis que pour l'Acorn de Rigetti, elle s'est améliorée de 59,8 % à 77,1 %. Les chercheurs ont également découvert que davantage d'impulsions 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 existantes de correction d'erreur quantique.