Une approche d’atténuation des erreurs aide les ordinateurs quantiques à monter de niveau


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  • Une collaboration entre la Division des mathématiques appliquées et de la recherche computationnelle (AMCRD) du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et la Division de la physique a abouti à une nouvelle approche de l’atténuation des erreurs qui pourrait aider à concrétiser le potentiel théorique de l’informatique quantique.

    L’équipe de recherche décrit ce travail dans un article publié dans Lettres d’examen physique« Atténuation du bruit dépolarisant sur les ordinateurs quantiques avec des circuits d’estimation du bruit. »

    « Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de résoudre des problèmes plus complexes beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques », a déclaré Bert de Jong, l’un des principaux auteurs de l’étude et directeur des projets d’informatique quantique AIDE-QC et QAT4Chem. De Jong dirige également le groupe de calcul appliqué pour la découverte scientifique de l’AMCRD. « Mais le véritable défi est que les ordinateurs quantiques sont relativement nouveaux. Et il reste encore beaucoup de travail à faire pour les rendre fiables. »

    Pour l’instant, l’un des problèmes est que les ordinateurs quantiques sont encore trop sujets aux erreurs pour être constamment utiles. Cela est dû en grande partie à ce qu’on appelle le « bruit » (erreurs).

    Il existe différents types de bruit, y compris le bruit de lecture et le bruit de porte. Le premier concerne la lecture du résultat d’une course sur un ordinateur quantique; plus il y a de bruit, plus il y a de chances qu’un qubit – l’équivalent quantique d’un bit sur un ordinateur classique – soit mesuré dans le mauvais état. Ce dernier concerne les opérations réelles effectuées ; le bruit signifie ici la probabilité d’appliquer la mauvaise opération. Et la prévalence du bruit augmente considérablement au fur et à mesure que l’on essaie d’effectuer des opérations avec un ordinateur quantique, ce qui rend plus difficile la recherche de la bonne réponse et limite considérablement la convivialité des ordinateurs quantiques à mesure qu’ils sont mis à l’échelle.

    « Ainsi, le bruit ici signifie simplement : c’est quelque chose que vous ne voulez pas, et cela obscurcit le résultat que vous voulez », a déclaré Ben Nachman, physicien du laboratoire de Berkeley et co-auteur de l’étude qui dirige également le programme transversal Machine Learning. pour le groupe Physique Fondamentale.

    Et bien que la correction d’erreurs – qui est courante dans les ordinateurs classiques – soit idéale, elle n’est pas encore réalisable sur les ordinateurs quantiques actuels en raison du nombre de qubits nécessaires. La prochaine meilleure chose : l’atténuation des erreurs – des méthodes et des logiciels pour réduire le bruit et minimiser les erreurs dans les résultats scientifiques des simulations quantiques. « En moyenne, nous voulons être en mesure de dire quelle devrait être la bonne réponse », a déclaré Nachman.

    Pour y arriver, les chercheurs du Berkeley Lab ont développé une nouvelle approche qu’ils appellent les circuits d’estimation du bruit. Un circuit est une suite d’opérations ou un programme exécuté sur un ordinateur quantique pour calculer la réponse à un problème scientifique. L’équipe a créé une version modifiée du circuit pour donner une réponse prévisible – 0 ou 1 – et a utilisé la différence entre la réponse mesurée et prédite pour corriger la sortie mesurée du circuit réel.

    L’approche du circuit d’estimation du bruit corrige certaines erreurs, mais pas toutes. L’équipe du laboratoire de Berkeley a combiné sa nouvelle approche avec trois autres techniques différentes d’atténuation des erreurs : la correction des erreurs de lecture à l’aide du « dépliement bayésien itératif », une technique couramment utilisée en physique des hautes énergies ; une version maison de la compilation aléatoire ; et extrapolation d’erreur. En assemblant toutes ces pièces, ils ont pu obtenir des résultats fiables à partir d’un ordinateur quantique IBM.

    Rendre possible de plus grandes simulations

    Ces travaux pourraient avoir des implications considérables pour le domaine de l’informatique quantique. La nouvelle stratégie d’atténuation des erreurs permet aux chercheurs de trouver la bonne réponse à partir de simulations qui nécessitent un grand nombre d’opérations, « bien plus que ce que les gens ont généralement pu faire », a déclaré de Jong.

    Au lieu de faire des dizaines d’opérations dites d’enchevêtrement ou NOT contrôlées, la nouvelle technique permet aux chercheurs d’exécuter des centaines de ces opérations et d’obtenir toujours des résultats fiables, a-t-il expliqué. « Ainsi, nous pouvons réellement faire de plus grandes simulations qui ne pouvaient pas être faites auparavant. »

    De plus, le groupe Berkeley Lab a pu utiliser ces techniques efficacement sur un ordinateur quantique qui n’est pas nécessairement réglé de manière optimale pour réduire le bruit de grille, a déclaré de Jong. Cela contribue à élargir l’attrait de la nouvelle approche d’atténuation des erreurs.

    « C’est une bonne chose car si vous pouvez le faire sur ce type de plateformes, nous pouvons probablement le faire encore mieux sur celles qui sont moins bruyantes », a-t-il déclaré. « C’est donc une approche très générale que nous pouvons utiliser sur de nombreuses plateformes différentes. »

    Pour les chercheurs, la nouvelle approche d’atténuation des erreurs signifie potentiellement être en mesure de résoudre des problèmes plus importants et plus complexes avec des ordinateurs quantiques. Par exemple, les scientifiques pourront effectuer des simulations chimiques avec beaucoup plus d’opérations qu’auparavant, a déclaré de Jong, un chimiste informatique de métier.

    « Mon intérêt est d’essayer de résoudre des problèmes liés à la capture du carbone, à la recherche sur les batteries, à la recherche sur la catalyse », a-t-il déclaré. « Et donc mon portefeuille a toujours été : je fais de la science, mais je développe aussi les outils qui me permettent de faire de la science. »

    Les progrès de l’informatique quantique ont le potentiel de mener à des percées dans un certain nombre de domaines, de la production d’énergie, de la décarbonisation et des processus industriels plus propres au développement de médicaments et à l’intelligence artificielle. Au Grand collisionneur de hadrons du CERN – où les chercheurs envoient des particules s’écraser les unes contre les autres à des vitesses incroyablement élevées pour étudier le fonctionnement de l’univers et sa composition – l’informatique quantique pourrait aider à trouver des modèles cachés dans les données du LHC.

    Pour faire avancer l’informatique quantique à court terme, l’atténuation des erreurs sera essentielle.

    « Plus l’atténuation des erreurs est bonne, plus nous pouvons appliquer d’opérations à nos ordinateurs quantiques, ce qui signifie qu’un jour, bientôt espérons-le, nous pourrons faire des calculs sur un ordinateur quantique que nous ne pourrions pas faire maintenant », a déclaré Nachman, qui s’intéresse particulièrement au potentiel de l’informatique quantique en physique des hautes énergies, comme l’étude plus approfondie de la force forte responsable de la liaison des noyaux.

    Un travail d’équipe transversal

    L’étude, qui a débuté fin 2020, marque la dernière d’une série de collaborations entre les divisions de physique et de recherche informatique de Berkeley Lab. Ce type de travail interdivisions est particulièrement important dans la recherche et le développement de l’informatique quantique, a déclaré Nachman. Un appel de financement il y a quelques années du département américain de l’énergie (DOE) dans le cadre d’un programme pilote pour voir si les chercheurs pouvaient trouver des moyens d’utiliser l’informatique quantique pour la physique des hautes énergies a initialement incité Nachman et son collègue Christian Bauer, un laboratoire de Berkeley physicien théoricien, pour approcher de Jong.

    « Nous avons dit: » Nous avons cette idée. Nous faisons ces calculs. Qu’en pensez-vous? « , a déclaré Na’hman. « Nous avons monté une proposition. Elle a été financée. Et maintenant, c’est une énorme fraction de ce que nous faisons. »

    Beaucoup de gens sont intéressés par cette technologie à tous les niveaux, selon Nachman. « Nous avons grandement bénéficié de la collaboration avec le groupe (de Jong), et je pense que cela va dans les deux sens », a-t-il déclaré.

    De Jong a accepté. « Cela a été amusant d’apprendre les langages physiques de l’autre et de voir qu’au fond, nous avons des exigences et des besoins algorithmiques similaires en matière d’informatique quantique », a-t-il déclaré.

    L’Oak Ridge Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE au Laboratoire national d’Oak Ridge, a fourni aux chercheurs un accès aux ordinateurs quantiques IBM Q utilisés pour la recherche.

    Outre de Jong, Nachman et Bauer, les participants à cet effort de recherche incluent Miroslav Urbanek, anciennement de la division de recherche informatique de Berkeley Lab et maintenant chez Atom Computing; Vincent R. Pascuzzi, ancien membre de la division de physique et maintenant associé de recherche à l’initiative de science computationnelle du laboratoire national de Brookhaven ; et Andre He, anciennement de la division Physique et maintenant ingénieur en matériel quantique chez IBM.

    L’étude a été soutenue par le DOE via le programme d’équipe d’algorithmes quantiques de l’Office of Advanced Scientific Computing Research et l’Office of High Energy Physics via le programme Quantum Information Science Enabled Discovery.

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