Pourquoi les ordinateurs quantiques ont des problèmes de mémoire au fil du temps ?

Une équipe de scientifiques australiens et internationaux a, pour la première fois, créé une image complète de la manière dont les erreurs se déroulent au fil du temps dans un ordinateur quantique, une percée qui pourrait aider à rendre les futures machines quantiques bien plus fiables.

Les chercheurs, dirigés par le Dr Christina Giarmatzi de l’Université Macquarie, ont découvert que les minuscules erreurs qui affligent les ordinateurs quantiques n’apparaissent pas seulement de manière aléatoire. Au contraire, elles peuvent persister, évoluer et même se lier entre elles à différents moments dans le temps.

« Nous pouvons considérer cela comme les ordinateurs quantiques conservant une mémoire des erreurs, qui peuvent être classiques ou quantiques selon la manière dont ces erreurs sont liées », explique le Dr Giarmatzi. « De nombreux protocoles quantiques supposent que les ordinateurs quantiques n’ont pas une telle mémoire (dite markovienne), mais ce n’est tout simplement pas vrai. »

Ce type de comportement est l’un des principaux obstacles à la construction d’ordinateurs quantiques pratiques et à grande échelle.

« Nous avons pu reconstruire l’évolution complète d’un processus quantique à plusieurs points dans le temps — quelque chose qui n’avait jamais été fait auparavant », a déclaré le Dr Giarmatzi. « Cela nous permet de voir non seulement quand le bruit se produit, mais comment il se propage dans le temps. »

Cette percée ouvre la porte à des méthodes plus avancées de modélisation, de prédiction et de correction des erreurs dans les dispositifs quantiques, non seulement dans les puces supraconductrices mais aussi dans des systèmes tels que les ions piégés et les qubits de spin.

« Nous avons ouvert une nouvelle fenêtre sur la façon dont les systèmes quantiques se comportent dans le temps, lorsque leurs erreurs sont corrélées », a ajouté le Dr Giarmatzi. « C’est essentiel si nous voulons que les ordinateurs quantiques deviennent vraiment utiles et exempts d’erreurs. »

Pour y parvenir, l’équipe a réalisé une série d’expériences sur des processeurs quantiques supraconducteurs de pointe — certains dans le laboratoire de l’Université du Queensland et d’autres accessibles via les ordinateurs quantiques en cloud d’IBM.

Les tentatives précédentes pour cartographier le comportement des systèmes quantiques dans le temps se sont toutes heurtées au même obstacle : après avoir mesuré un système quantique en cours d’expérience, les scientifiques ne pouvaient pas le réinitialiser librement pour l’étape suivante, car la configuration dépend du fait que le résultat de la mesure était 0 ou 1.

La nouvelle méthode résout ce problème en ajoutant une astuce ingénieuse, en supposant que 50 % du temps, le résultat était 1, et le reste du temps, le résultat était 0. Ensuite, les chercheurs ont utilisé un logiciel pour remonter le temps avec les données, afin de déterminer dans quel état il se trouvait.

« Le matériel pouvait le faire », a indiqué le co-auteur Dr Fabio Costa de Nordita à Stockholm. « Ce que nous avons découvert, c’est comment préparer réellement le système après une mesure en cours de circuit. »

Ce qu’ils ont découvert, c’est que même les meilleures machines quantiques actuelles montrent des modèles de bruit subtils mais importants liés au temps — y compris un bruit de nature quantique provenant de qubits voisins sur la même puce.

Comprendre ces modèles aidera les scientifiques quantiques à concevoir de meilleurs outils de caractérisation et de correction d’erreurs, une étape cruciale vers la construction d’ordinateurs quantiques fiables et tolérants aux pannes.

« Il est gratifiant de voir des modèles théoriques prendre vie sur du matériel réel, et surtout lorsqu’ils peuvent contribuer au développement du matériel lui-même », a déclaré Tyler Jones, qui a travaillé sur le projet en tant qu’étudiant en doctorat à l’Université du Queensland. « Une caractérisation robuste des corrélations temporelles dans les systèmes quantiques est nécessaire sur la voie de la construction de machines quantiques puissantes. »

L’équipe a rendu ses données expérimentales et son code librement accessibles, et l’étude complète est publiée dans Quantum.

Article : Multi-time quantum process tomography on a superconducting qubit – Journal : Quantum – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Macquarie U.