Le processeur quantique IBM réalise des calculs de la plus haute fidélité pendant la plus longue période jamais enregistrée

Les chercheurs ont atteint un nouveau record de fidélité des qubits dans les systèmes informatiques quantiques supraconducteurs, surmontant ainsi un obstacle majeur dans l’informatique quantique.

Dans une étude publiée le 27 février dans la revue Communications naturellesdes scientifiques d’IBM, de l’Université RWTH Aix-la-Chapelle en Allemagne et de la start-up Quantum Elements, basée à Los Angeles, ont abordé correction d’erreur quantique et la suppression, qui constitue le plus grand obstacle à la construction de machines plus puissantes que le supercalculateurs les plus rapides.

Utilisation d’ordinateurs quantiques supraconducteurs bits quantiques (qubits), l’équivalent quantique d’un bit d’ordinateur, pour effectuer des calculs. Les systèmes utilisés par les chercheurs – les processeurs IBM Kiev et Marrakech de 127 qubits – utilisent une combinaison de « qubits physiques » et de « qubits logiques », des groupes de qubits physiques intriqués qui stockent les mêmes informations à différents endroits, au cas où un qubit physique stockant ces informations échouerait en cours de calcul.

Les qubits physiques sont intégrés dans la couche matérielle d’un ordinateur quantique sous la forme d’un circuit complexe et géométriquement précis constitué de métal supraconducteur. Une fois refroidi à près zéro absoluces métaux perdent toute résistance électrique, permettant ainsi à l’information quantique de circuler sans perte d’énergie.

Mais ces qubits sont sensibles à la moindre perturbation, notamment les vibrations, le bruit de fond local et d’autres facteurs environnementaux, ce qui les rend fragiles par nature. Pour compenser cette fragilité, les scientifiques regroupent plusieurs qubits physiques pour former un qubit logique.

Lorsque les calculs sont effectués sur des qubits logiques, les qubits physiques agissent comme des bits de parité qui éliminent les erreurs. Mais le problème inhérent à cette configuration, affirment les scientifiques dans la nouvelle étude, est qu’elle est faible face aux « erreurs logiques ».

Des erreurs logiques se produisent lorsque plusieurs qubits physiques au sein d’un qubit logique succombent au bruit. Essentiellement, lorsqu’un qubit physique tombe en panne, les autres agissent comme une sécurité contre son signal erroné. Mais lorsque plusieurs qubits échouent, le système traite l’erreur qu’ils produisent comme le bon signal – et le calcul est ruiné.

Supprimer les erreurs avant qu’elles ne surviennent

Les systèmes IBM de 127 qubits utilisés par les chercheurs sont sujets à un type spécifique de bruit appelé « diaphonie ZZ », généré par la disposition particulière de ses qubits physiques.

L’équipe Quantum Elements a développé une approche hybride pour traiter ce type spécifique de bruit. Cela implique de supprimer les erreurs de diaphonie avant qu’elles ne se produisent, réduisant ainsi le nombre total d’erreurs logiques indétectables pouvant survenir. Ils ont couplé cette technique aux outils de correction d’erreurs existants pour créer un nouveau protocole hybride.

En conséquence, les chercheurs ont réalisé les calculs quantiques de la plus haute fidélité – ceux avec le moins de bruit – sur des qubits supraconducteurs pendant la plus longue période jamais enregistrée.

Selon l’étude, les scientifiques avaient auparavant atteint une fidélité de codage maximale de 79,5 % dans une tentative et de 93,7 % dans une autre, qui a ensuite diminué à environ 30 % après environ 27 microsecondes.

La métrique de fidélité maximale indique la précision la plus élevée atteinte au sein du système quantique, qui se produit directement après la formation du qubit logique. Plus un ordinateur quantique peut conserver longtemps une fidélité maximale ou proche du pic, plus il est capable d’exécuter des algorithmes quantiques.

L’équipe a battu ces records précédents, en utilisant une nouvelle technique appelée découplage dynamique du normalisateur (NDD). Ils ont atteint une fidélité de codage maximale de 98,05 %, qui a maintenu une fidélité de 84,87 % après 55 microsecondes.

Le découplage dynamique conventionnel, une technique standard de correction d’erreurs, consiste à utiliser des impulsions micro-ondes pour forcer les qubits physiques à se retourner d’avant en arrière. Cela régule les qubits et fait généralement la moyenne du bruit de fond, mais il le fait un qubit physique à la fois.

Mais la mise à l’échelle de cette technique pose un problème : plus il y a de qubits physiques dans un système, plus il faut d’impulsions micro-ondes pour supprimer le bruit. Finalement, cela crée un bruit supplémentaire et ajoute encore plus d’erreurs au système, ce qui va à l’encontre de l’objectif, ont expliqué les auteurs de l’étude.

Cependant, les scientifiques ont appliqué ce paradigme à la couche de qubits logiques, plutôt que de l’exécuter uniquement au niveau de la couche matérielle. Pour ce faire, ils ont dû inventer une méthode pour régler ses impulsions, en utilisant un « normalisateur » mathématique basé sur le code quantique exécuté sur la machine elle-même. Cela lui permettait de pulser à un rythme en corrélation avec le code de la machine.

Le résultat, le découplage dynamique du normalisateur, a produit les calculs les plus fidèles à ce jour sur un ordinateur quantique supraconducteur. Plus ce niveau de haute fidélité peut être maintenu longtemps, plus nous pouvons nous attendre à ce que les ordinateurs quantiques deviennent utiles.

Le nombre de portes quantiques – ou d’opérations quantiques uniques – qu’un système quantique peut exécuter dépend de la durée pendant laquelle il peut maintenir la fidélité quantique. Cela prend généralement environ 10 à 12 nanosecondes pour qu’une seule porte s’exécute. Cela signifie qu’environ 4 500 à 5 500 opérations consécutives pourraient avoir lieu dans les 55 microsecondes précédant la dégradation des données, comme le démontre cette étude.

Le but ultime de l’informatique quantique est de créer un appareil capable de fonctionner à haute fidélité suffisamment longtemps pour effectuer des opérations vraiment utiles, telles que l’exécution L’algorithme de Shor pour casser le cryptage. C’est estimé que des fonctions avancées comme celles-ci pourraient un jour prendre des semaines ou des mois pour qu’un système quantique performant soit exécuté correctement – ce qui n’est pas si mal si l’on considère que cela pourrait prendre un ordinateur classique des centaines de milliards d’années pour arriver au même résultat.

Le record de 55 microsecondes d’activité haute fidélité semble être un loin d’être utilemais cela représente un progrès significatif par rapport aux efforts précédents.

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