Qubits maintenus ensemble en leur criant des micro-ondes

Des entreprises comme IBM et Google ont saisi l'occasion de construire des ordinateurs quantiques. Ils ont créé de belles interfaces pour que vous puissiez jouer à des jeux d’informatique quantique. Les cadres d’accès qu’ils ont fournis me donnent l’impression que nous sommes sur le point d’éclater dans des ordinateurs quantiques utiles.

L’interface publique cache toutefois les progrès relativement lents dans la résolution des problèmes matériels. En particulier, les qubits ne vivent pas très longtemps, aussi peu de calculs peuvent être faits. Maintenant, dans un très bon travail, une équipe de chercheurs chinois a mis au point des qubits qui durent environ 10 à 15 fois plus longtemps.

Le cas des qubits en voie de disparition

Pour comprendre ce résultat, nous devons comprendre trois caractéristiques clés de la manière dont l’information est stockée et traitée dans l’informatique quantique. Les informations sont stockées dans des qubits, mais un qubit ne contient pas simplement un un ou un zéro; c'est en réalité une probabilité d'être un ou zéro. Les calculs sont effectués en modifiant la probabilité qu'un qubit soit égal à un ou égal à zéro lorsqu'il est mesuré.

Un deuxième point important est que, lors d’un calcul, les probabilités de qubit sont toutes reliées les unes aux autres - la mesure d’un qubit restreint (voire révèle) la valeur des qubits liés.

Une troisième caractéristique est que, entre les opérations de calcul, les probabilités ne restent pas constantes. Au lieu de cela, elles ressemblent à des oscillations, oscillant entre l’unité (vous mesurerez toujours le qubit comme étant un) et le zéro (vous mesurerez toujours le qubit comme étant zéro). Le calcul dépend de la mesure au bon moment.

Étant donné que les qubits sont tous liés, ils ne doivent donc pas basculer entre eux séparément, sinon les probabilités liées entre qubits seront brisées. Une fois qu'ils se cassent, vous ne pouvez plus rien calculer.

Le bruit joue également un rôle. Le bruit pousse les balançoires, les accélérant ou les ralentissant au hasard. Chaque qubit se désynchronise lentement (ou pas si lentement) avec ses voisins. Je ne peux pas, en fonction du temps que le qubit a été laissé pour balancer, prédire la probabilité d'un unique qubit plus. En réalité, le quantum du qubit a disparu.

En raison de ces problèmes, le type de qubit utilisé par les chercheurs de ce travail dure généralement environ cinq microsecondes. Une opération typique prend environ 20 nanosecondes. Cela implique quelque chose comme moins de 300 opérations de porte avant que le qubit ne soit inutile.

Basculer vers un tambour à micro-ondes

Pour que les qubits restent synchronisés les uns avec les autres, les chercheurs appliquent un signal hyperfréquence continu. Le bruit désynchronise toujours les qubits, mais l’effet est beaucoup moins important pour un temps donné. De plus, l'application de cette astuce permet aux chercheurs d'utiliser d'autres approches de réduction du bruit.

Lorsque tout cela a été appliqué, les chercheurs ont découvert que leur système qubit était stable pendant au moins 36 microsecondes. Ils ont également montré qu'ils pouvaient garder deux qubits synchronisés pendant plus de 60 microsecondes lors de l'exécution d'opérations de porte.

Les calculs se sont révélés fiables avec une grande fidélité. La fidélité est la probabilité qu'une seule opération aille correctement. J'effectue une opération qui devrait aboutir à un qubit dans un état spécifique, puis je vérifie à quelle fréquence j'obtiens réellement cet état. Le taux de réussite est la fidélité. Les chercheurs ont des taux de fidélité assez élevés (plus de 0,97), mais pas encore assez élevés. Pour mettre les choses en perspective, après 10 opérations, la probabilité que le qubit soit dans l'état cible n'est que d'environ 70%.

L'objectif est d'obtenir une fidélité d'une seule opération bien supérieure à 0,99. Si vous pouvez le faire, vous pourrez peut-être accepter l'erreur occasionnelle. Plusieurs exécutions du même code devraient permettre de déterminer le résultat correct. Si cela ne peut pas être réalisé, des schémas de correction d'erreur coûteux doivent être mis en œuvre. Pour ces schémas, pour chaque qubit de calcul, cinq à neuf qubits de correction d'erreur sont nécessaires, ce qui est une surcharge que nous aimerions tous éviter.

Mettre tous ensemble

La technologie démontrée dans cet article est, à la base, la même que celle utilisée par IBM (le travail présenté ici n’est pas celui d’IBM). L'architecture offre un peu de flexibilité: les qubits peuvent être connectés et déconnectés les uns des autres, ce qui signifie que les opérations sur un qubit n'ajoutent pas de bruit aux qubits déconnectés.

Cette recherche permet aux qubits d’être synchronisés même s’ils sont déconnectés les uns des autres. Cela augmente le nombre d'opérations qu'un ordinateur quantique peut effectuer et réduit les chances que la lecture du qubit contienne des erreurs.

Les chercheurs spéculent également sur les améliorations futures pour leur propre style de qubit. Ils pensent qu'avec certains travaux de refonte, il serait peut-être possible d'obtenir un autre facteur de deux dans le temps pendant lequel les qubits restent synchronisés. S'ils peuvent le faire, alors la fidélité des portes simples sera suffisamment élevée pour être très utile.

Lettres d'examen physique, 2018, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.121.130501 (À propos des DOI)

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