Des chercheurs développent des qubits « antibruit » pour réduire les erreurs dans les ordinateurs quantiques

Malgré leurs énormes promesses pour résoudre de nouveaux types de problèmes, les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui sont intrinsèquement faillibles. Une petite perturbation de l’environnement qui les entoure – un changement de température, de pression ou de champ magnétique, par exemple – peut perturber des blocs de construction informatiques fragiles, appelés qubits.

Maintenant, des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l’Université de Chicago ont développé une nouvelle façon de surveiller en permanence le bruit autour d’un système quantique et d’ajuster les qubits, en temps réel, pour réduire les erreurs.

L’approche décrite dans les sciences, repose sur des qubits spectateurs : une collection de qubits intégrés à un ordinateur dans le seul but de mesurer le bruit externe plutôt que de stocker des données. Les informations collectées par ces qubits spectateurs peuvent ensuite être utilisées pour annuler le bruit dans les qubits pour le traitement de données vitales.

assistant. Le professeur Hannes Bernen, qui a dirigé la recherche, compare le nouveau système à des écouteurs antibruit, qui surveillent en permanence le bruit ambiant et émettent des fréquences opposées pour l’annuler.

« Avec cette approche, nous pouvons améliorer la qualité des données qubit de manière très puissante », a déclaré Bernin. « Je considère cela comme très important dans le contexte de l’informatique quantique et de la simulation quantique. »

défi de taille

À mesure que les ordinateurs quantiques actuels se sont développés, le défi du bruit et des erreurs s’est accru. Le problème est double : les qubits changent facilement en fonction de leur environnement, ce qui peut modifier les informations qu’ils contiennent et entraîner des taux d’erreur plus élevés. De plus, si un scientifique mesure un qubit, pour essayer de mesurer le bruit auquel il a été exposé, l’état du qubit s’effondre et ses données sont perdues.

« C’est une tâche très difficile et décourageante d’essayer de corriger les erreurs dans un système quantique », a déclaré Bernin.

Les physiciens théoriciens ont précédemment proposé une solution utilisant des qubits spectateurs, qui sont des collections de qubits qui ne stockent aucune donnée nécessaire mais peuvent être intégrées dans un ordinateur quantique. La visionneuse de qubit suivra les changements dans l’environnement, agissant comme le microphone à l’intérieur des écouteurs antibruit. Le microphone, bien sûr, ne détecte que les ondes sonores tandis que les qubits spectateurs proposés répondent à toute perturbation environnementale susceptible d’altérer les qubits.

Deux types de qubits antibruit

L’équipe de Bernin a entrepris de prouver que ce concept théorique pouvait être utilisé pour annuler le bruit dans une matrice d’atomes neutres, leur ordinateur quantique préféré.

Dans un processeur quantique atomique neutre, les atomes sont maintenus en place à l’aide de lasers appelés pinces optiques, que Bernin a aidé à développer, ce qui lui a valu des prix tels que le prix New Horizons in Physics 2023 de la Breakthrough Prize Foundation. Dans de larges réseaux de ces atomes suspendus, chacun agit comme un qubit, capable de stocker et de traiter des informations s’il est superposé.

En 2022, Bernin et ses collègues rapportent pour la première fois la possibilité de fabriquer un processeur quantique hybride contenant des atomes de rubidium et de césium. Maintenant, ils ont adapté ce processeur pour que les atomes de rubidium agissent comme des qubits de données tandis que les atomes de césium sont des qubits spectateurs. L’équipe a conçu un système pour lire en continu les données en temps réel des atomes de rubidium et, en réponse, moduler les atomes de césium avec des oscillations micro-ondes.

Le défi, a déclaré Bernin, était de s’assurer que le système était assez rapide – toute modification des atomes de rubidium devait être presque instantanée.

« Ce qui est vraiment excitant à ce sujet, c’est que non seulement cela réduit le bruit sur les qubits de données, mais c’est un exemple d’interaction réelle avec un système quantique en temps réel », a déclaré Bernin.

Preuve de principe

Pour tester l’approche de réduction des erreurs, le groupe de Bernin a exposé le réseau quantique au bruit du champ magnétique. Ils ont montré que les atomes de césium captaient correctement ce bruit et que leur système l’annulait ensuite dans les atomes de rubidium en temps réel.

Cependant, le groupe de recherche affirme que le prototype n’est qu’un point de départ. Ils aimeraient essayer d’augmenter la quantité de bruit, de diversifier les types de perturbations et de tester si cette approche résiste.

« Nous avons des idées passionnantes sur la façon dont nous pouvons améliorer la sensibilité de ce système par un facteur important, mais sa mise en œuvre nécessitera plus de travail », a déclaré Bernin. « C’était une excellente rampe de lancement. »

En fin de compte, Bernin envisage qu’un système de qubits spectateurs pourrait fonctionner en continu en arrière-plan de tout ordinateur quantique atomique neutre ainsi que des ordinateurs quantiques d’autres architectures, minimisant les erreurs lorsque l’ordinateur stocke les données et effectue des calculs.