Par le ministère américain de l’énergie
10 juillet 2023
Un qubit logique est intégré dans l’espace d’état d’un oscillateur harmonique à l’aide du code de grille, représenté ici par les faces du cube. La correction d’erreur quantique protège ces états de la grille contre la corruption par un environnement bruyant, symbolisé par le rayon. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de Polina Shmatkova
Des chercheurs ont franchi une étape importante dans l’informatique quantique en prolongeant la durée de vie de l’information quantique au-delà du seuil de rentabilité grâce à la correction quantique des erreurs, ouvrant ainsi la voie à un traitement efficace de l’information quantique dans le bruit du monde réel.
Sommaire
Comprendre la décohérence et la correction d’erreur quantique
La décohérence est un phénomène fondamental dans lequel le comportement classique émerge des lois quantiques de la nature. Cette interface quantique-classique présente des obstacles importants à l’utilisation de ces lois pour le traitement de l’information, en particulier dans le domaine de l’informatique quantique. Des problèmes pratiques, tels que les rayonnements parasites, peuvent amener les qubits d’un ordinateur quantique à modifier leurs états quantiques, ce qui entraîne une perte des informations stockées.
Le seuil de rentabilité et la correction quantique des erreurs
Pour atténuer les effets de la décohérence, la correction quantique des erreurs (QEC) est mise en œuvre. Malgré cela, les tentatives expérimentales antérieures d’utilisation de la QEC ont généralement échoué, car la vitesse de correction des erreurs était inférieure à la vitesse de décohérence. Le système quantique perdait donc des informations plus rapidement que la QEC ne pouvait compenser. Le terme « seuil de rentabilité » décrit le moment où la complexité accrue du circuit de correction parvient tout juste à contrecarrer la décohérence induite.
Durées de vie prolongées et nouvelles possibilités
Lors d’une expérience révolutionnaire, des scientifiques ont réussi à multiplier par deux la durée de vie de l’information quantique au-delà du seuil de rentabilité. Cette découverte importante démontre qu’il n’existe aucun obstacle fondamental à l’allongement de la durée de vie de l’information quantique par des interventions actives. Cette réalisation expérimentale correspond aux attentes théoriques des scientifiques et ouvre la voie au traitement de l’information quantique en présence de bruit provenant de radiations, de rayons cosmiques et d’autres sources.
Regarder vers l’avenir : Les Qubits à correction d’erreur et les défis du monde réel
Comme les systèmes quantiques dans le monde réel sont inévitablement affectés par le bruit, le prochain défi pour cette plateforme de recherche est de réaliser des opérations logiques de haute fidélité entre deux qubits corrigés des erreurs.
Mise en œuvre d’un code de grille dans les expériences quantiques
L’expérience a utilisé le code de la grille dans un mode électromagnétique situé dans une cavité supraconductrice. L’état quantique de ce mode est géré par un circuit supraconducteur auxiliaire, appelé transmon. Pour réaliser l’expérience, les scientifiques ont refroidi le système à l’intérieur d’un réfrigérateur à dilution à une température 100 fois plus froide que le fond cosmique de l’espace extra-atmosphérique. Un contrôleur externe a coordonné le processus de correction des erreurs quantiques, qui n’a pris que quelques centaines de nanosecondes, et un agent d’apprentissage par renforcement a optimisé le processus pour compenser les imperfections du dispositif expérimental et du contrôleur.
Référence : « Real-time quantum error correction beyond break-even » par V. V. Sivak, A. Eickbusch, B. Royer, S. Singh, I. Tsioutsios, S. Ganjam, A. Miano, B. L. Brock, A. Z. Ding, L. Frunzio, S. M. Girvin, R. J. Schoelkopf et M. H. Devoret, 22 mars 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05782-6
Ce travail a été réalisé à l’université de Yale et financé en partie par le Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA), un centre national de recherche en science de l’information quantique dirigé par le Brookhaven National Laboratory.
Cette recherche a été soutenue par le Bureau de recherche de l’armée américaine et par l’Office of Science du ministère de l’énergie, National Quantum Information Science Research Center, Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA). L’utilisation des installations de fabrication a été soutenue par l’Institut de Yale pour la nanoscience et l’ingénierie quantique et la salle blanche de l’école d’ingénierie et de sciences appliquées de Yale.