Dans un monde en premier, les scientifiques ont démontré un phénomène énigmatique calcul quantique Cela pourrait ouvrir la voie à des machines tolérantes aux pannes qui sont beaucoup plus puissantes que n’importe quel supercalculateur.
Le processus, appelé «distillation de l’État magique», a été le premier proposé il y a 20 ansmais son utilisation dans les qubits logiques a échappé aux scientifiques depuis. Il a longtemps été considéré comme crucial pour produire les ressources de haute qualité, appelées «états magiques», nécessaires pour réaliser le plein potentiel des ordinateurs quantiques.
Les états magiques sont des états quantiques préparés à l’avance, qui sont ensuite consommés en tant que ressources par les algorithmes quantiques les plus complexes. Sans ces ressources, les ordinateurs quantiques ne peuvent pas exploiter les étranges lois de mécanique quantique pour traiter les informations en parallèle.
La distillation de l’état magique, quant à elle, est un processus de filtrage par lequel les états magiques de la plus haute qualité sont « purifiés » afin qu’ils puissent être utilisés par les algorithmes quantiques les plus complexes.
Ce processus a jusqu’à présent été possible sur les qubits physiques simples et sujets aux erreurs mais pas sur les qubits logiques – des groupes de qubits physiques qui partagent les mêmes données et sont configurés pour détecter et corriger les erreurs qui perturbent fréquemment les opérations de calcul quantique.
Parce que la distillation de l’état magique dans les qubits logiques n’a pas été possible jusqu’à présent, les ordinateurs quantiques qui utilisent des qubits logiques n’ont pas été théoriquement capables de dépasser les machines classiques.
Maintenant, cependant, les scientifiques atteints de Quera disent avoir démontré pour la première fois la distillation de l’État magique dans la pratique sur les qubits logiques. Ils ont décrit leurs résultats dans une nouvelle étude publiée le 14 juillet dans la revue Nature.
« Les ordinateurs quantiques ne seraient pas en mesure de réaliser leur promesse sans ce processus de distillation de l’état magique. C’est une étape requise. » Yuval Bogerle directeur commercial de Quera a déclaré à Live Science dans une interview. Boger n’a pas été personnellement impliqué dans la recherche.
Le chemin vers l’informatique quantique tolérante aux pannes
Les ordinateurs quantiques utilisent qubits En tant que blocs de construction, et ils utilisent la logique quantique – l’ensemble des règles et opérations qui régissent la façon dont les informations quantiques sont traitées – pour exécuter des algorithmes et des données de processus. Mais le défi consiste à exécuter des algorithmes incroyablement complexes tout en conservant des taux d’erreur incroyablement bas.
Le problème est que les qubits physiques sont intrinsèquement «bruyants», ce qui signifie que les calculs sont souvent perturbés par des facteurs tels que les changements de température et le rayonnement électromagnétique. C’est pourquoi tant de recherches ont centré sur Correction d’erreur quantique (Qec).
La réduction des erreurs – qui se produisent à un taux de 1 sur 1 000 en qubits contre 1 sur 1 million, millions de bits conventionnels – empêche les perturbations et permet aux calculs de se produire au rythme. C’est là que les qubits logiques entrent en jeu.
« Pour que les ordinateurs quantiques soient utiles, ils doivent fonctionner des calculs assez longs et sophistiqués. Si le taux d’erreur est trop élevé, ce calcul se transforme rapidement en des données inutiles ou inutiles », auteur principal de l’étude de l’étude Sergio CantuVice-président des systèmes quantiques de Quera, a déclaré à Live Science dans une interview. « L’objectif entier de la correction des erreurs est de réduire ce taux d’erreur afin que vous puissiez faire un million de calculs en toute sécurité. »
Les qubits logiques sont des collections de qubits physiques enchevêtrés qui partagent les mêmes informations et sont basés sur le principe de redondance. Si un ou plusieurs qubits physiques dans un qubit logique échouent, le calcul n’est pas perturbé car les informations existent ailleurs.
Mais les qubits logiques sont extrêmement limités, ont déclaré les scientifiques, car les codes de correction d’erreur qui leur sont appliqués ne peuvent exécuter que des « portes Clifford » – des opérations de base dans les circuits quantiques. Ces opérations sont fondamentales des circuits quantiques, mais ils sont si basiques qu’ils peuvent être simulés sur n’importe quel supercalculateur.
Ce n’est qu’en exploitant des états magiques de haute qualité que les scientifiques peuvent exécuter des « portes non-clifford » et s’engager dans un véritable traitement parallèle. Mais les générer sont extrêmement intensives en ressources et coûteuses, et a jusqu’à présent été irréalisable dans les qubits logiques.
Essentiellement, s’appuyer sur la distillation de l’état magique dans les qubits physiques seuls ne conduiraient jamais à avantage quantique. Pour cela, nous devons distiller directement les états magiques dans les qubits logiques.
Les États magiques ouvrent la voie à des capacités au-delà du supercalcuting
« Les États magiques nous permettent d’étendre le nombre et le type d’opérations que nous pouvons faire. Donc, pratiquement, tout algorithme quantique qui a de la valeur nécessiterait des états magiques », a déclaré Cantu.
Générer des états magiques dans des qubits physiques, comme nous l’avons fait, est un sac mixte – il y a des états magiques de basse qualité et de haute qualité – et ils doivent être affinés. Ce n’est qu’alors qu’ils peuvent alimenter les programmes les plus puissants et les algorithmes quantiques.
Dans l’étude, en utilisant le Ordinateur quantique à atomes neutres geminiles scientifiques ont distillé cinq états magiques imparfaits en un seul état magique plus propre. Ils l’ont effectué séparément sur une distance-3 et un qubit logique distance-5, démontrant qu’il évolue avec la qualité du qubit logique.
« Une distance plus grande signifie de meilleures qubits logiques. Une distance-2, par exemple, signifie que vous pouvez détecter une erreur mais pas la corriger. Distance-3 signifie que vous pouvez détecter et corriger une seule erreur. Distance-5 signifierait que vous pouvez détecter et corriger jusqu’à deux erreurs, etc., etc. », a expliqué Boger. « Ainsi, plus la distance est grande, plus la fidélité du qubit est grande – et nous le comparons à la distillation du pétrole brut dans un carburant à jet. »
À la suite du processus de distillation, la fidélité de l’état magique final a dépassé celle de toute entrée. Cela a prouvé que la distillation de l’État magique tolérant aux défauts a fonctionné dans la pratique, ont déclaré les scientifiques. Cela signifie qu’un ordinateur quantique qui utilise à la fois des qubits logiques et des états magiques de haute qualité pour exécuter des portes non clifford est maintenant possible.
« Nous voyons une sorte de passage d’il y a quelques années », a déclaré Boger. « Le défi était: les ordinateurs quantiques peuvent-ils être construits du tout? Ensuite, il peut être détecté et corrigé des erreurs? Nous et Google et d’autres ont montré que, oui, qui peut être fait. Maintenant, il s’agit: pouvons-nous rendre ces ordinateurs vraiment utiles? Et pour rendre un ordinateur vraiment utile que les agrandir, vous voulez qu’ils puissent exécuter des programmes qui ne peuvent pas être simulés sur des ordinateurs classiques. »
