La gomme quantique : une nouvelle arme contre les erreurs de calcul

Les ordinateurs quantiques de l’avenir promettent de résoudre toutes sortes de problèmes. Par exemple, ils pourraient conduire à des matériaux plus durables, de nouveaux médicaments, et même résoudre les problèmes les plus difficiles en physique fondamentale. Mais comparés aux ordinateurs classiques utilisés aujourd’hui, les ordinateurs quantiques rudimentaires sont plus sujets aux erreurs.

Et si les chercheurs pouvaient simplement sortir une gomme quantique spéciale et se débarrasser des erreurs ?

Une avancée dans la correction des erreurs quantiques

Un groupe de chercheurs dirigé par le Caltech est parmi les premiers à démontrer un type de gomme quantique. Les physiciens montrent qu’ils peuvent localiser et corriger les erreurs dans les systèmes de calcul quantique connus sous le nom d’erreurs «d’effacement».

« Il est normalement très difficile de détecter les erreurs dans les ordinateurs quantiques, car le simple fait de chercher des erreurs en provoque davantage », explique Adam Shaw, co-auteur principal de la nouvelle étude et étudiant en doctorat dans le laboratoire de Manuel Endres, professeur de physique au Caltech. « Mais nous montrons qu’avec un contrôle soigneux, nous pouvons localiser et effacer certaines erreurs sans conséquence, d’où le nom d’effacement ».

Le fonctionnement des ordinateurs quantiques

Les ordinateurs quantiques sont basés sur les lois de la physique qui régissent le domaine subatomique, comme l’enchevêtrement, un phénomène dans lequel les particules restent connectées et imitent les unes les autres sans être en contact direct. Dans la nouvelle étude, les chercheurs se sont concentrés sur un type de plateforme de calcul quantique qui utilise des réseaux d’atomes neutres, ou des atomes sans charge.

Plus précisément, ils ont manipulé des atomes neutres individuels d’alkali-terre confinés à l’intérieur de «pinces» faites de lumière laser. Les atomes ont été excités à des états de haute énergie – ou des états « Rydberg » – dans lesquels les atomes voisins commencent à interagir.

La détection et la correction des erreurs

Le nouveau système de détection d’erreurs est conçu de telle manière que les atomes erronés fluorescent, ou s’illuminent, lorsqu’ils sont frappés par un laser. « Nous avons des images des atomes lumineux qui nous indiquent où se trouvent les erreurs, nous pouvons donc soit les exclure des statistiques finales, soit appliquer des impulsions laser supplémentaires pour les corriger activement », explique Pascal Scholl co-auteur de l’étude et ancien chercheur postdoctoral au Caltech.

En supprimant et en localisant les erreurs dans leur système d’atomes Rydberg, l’équipe du Caltech affirme qu’elle peut améliorer le taux global d’enchevêtrement, ou de fidélité. Dans la nouvelle étude, l’équipe rapporte que seulement un sur 1 000 paires d’atomes n’a pas réussi à s’enchevêtrer. C’est une amélioration d’un facteur 10 par rapport à ce qui a été réalisé précédemment et c’est le taux d’enchevêtrement le plus élevé jamais observé dans ce type de système.

En synthèse

En fin de compte, ces résultats sont de bon augure pour les plateformes de calcul quantique qui utilisent des réseaux d’atomes neutres Rydberg. «Les atomes neutres sont le type d’ordinateur quantique le plus évolutif, mais ils n’avaient pas de fidélités d’enchevêtrement élevées jusqu’à présent», conclut Adam Shaw.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique ?

Un ordinateur quantique est un type d’ordinateur qui utilise les principes de la mécanique quantique pour effectuer des calculs. Il est basé sur des phénomènes tels que la superposition et l’enchevêtrement pour effectuer des opérations sur des données.

2. Qu’est-ce qu’une erreur d’effacement dans le contexte de l’informatique quantique ?

Une erreur d’effacement est une erreur qui se produit dans un système de calcul quantique. Elle est généralement difficile à détecter car la recherche d’erreurs peut en provoquer davantage. Cependant, avec un contrôle minutieux, certaines erreurs peuvent être localisées et effacées sans conséquence.

3. Comment les chercheurs ont-ils réussi à détecter et à corriger ces erreurs ?

Les chercheurs ont conçu un système de détection d’erreurs de telle manière que les atomes erronés s’illuminent, ou fluorescents, lorsqu’ils sont frappés par un laser. Ils peuvent alors soit les exclure des statistiques finales, soit appliquer des impulsions laser supplémentaires pour les corriger activement.

4. Qu’est-ce que l’enchevêtrement ?

L’enchevêtrement est un phénomène de la mécanique quantique où deux particules ou plus deviennent liées de telle manière que l’état de l’une dépend instantanément de l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. C’est ce qui permet aux ordinateurs quantiques de surpasser les ordinateurs classiques.

5. Quelles sont les implications de cette recherche ?

Ces résultats sont prometteurs pour les plateformes de calcul quantique qui utilisent des réseaux d’atomes neutres Rydberg. Ils pourraient conduire à une amélioration significative de la fidélité de l’enchevêtrement, ce qui est crucial pour l’efficacité des ordinateurs quantiques.

Légende : Alors que les erreurs sont normalement difficiles à repérer dans les dispositifs quantiques, les chercheurs ont montré qu’avec un contrôle minutieux, certaines erreurs peuvent faire briller les atomes. Les chercheurs ont utilisé cette capacité pour exécuter une simulation quantique à l’aide d’un réseau d’atomes et d’un faisceau laser, comme le montre ce concept d’artiste. L’expérience a montré qu’il était possible d’éliminer les atomes erronés qui brillaient et de rendre la simulation quantique plus efficace. Crédit : Caltech/Lance Hayashida

Référence : La nouvelle étude de Nature intitulée « Erasure conversion in a high-fidelity Rydberg quantum simulator » a été financée par la National Science Foundation (NSF).