Démonstration des éléments de base de l’informatique quantique tolérante aux pannes


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  • Pour que les ordinateurs quantiques soient utiles dans la pratique, les erreurs doivent être détectées et corrigées. À l’Université d’Innsbruck, en Autriche, une équipe de physiciens expérimentaux a mis en œuvre pour la première fois un ensemble universel d’opérations de calcul sur des bits quantiques tolérants aux pannes, démontrant comment un algorithme peut être programmé sur un ordinateur quantique afin que les erreurs ne gâchent pas le résultat.

    Dans les ordinateurs modernes, les erreurs lors du traitement et du stockage des informations sont devenues rares en raison de la fabrication de haute qualité. Cependant, pour les applications critiques, où même des erreurs simples peuvent avoir des effets graves, des mécanismes de correction d’erreurs basés sur la redondance des données traitées sont toujours utilisés.

    Les ordinateurs quantiques sont intrinsèquement beaucoup plus sensibles aux perturbations et nécessiteront donc probablement toujours des mécanismes de correction d’erreurs, car sinon les erreurs se propageront de manière incontrôlée dans le système et des informations seront perdues. Étant donné que les lois fondamentales de la mécanique quantique interdisent de copier des informations quantiques, la redondance peut être obtenue en distribuant des informations quantiques logiques dans un état intriqué de plusieurs systèmes physiques, par exemple plusieurs atomes individuels.

    L’équipe dirigée par Thomas Monz du Département de physique expérimentale de l’Université d’Innsbruck et Markus Müller de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle et du Forschungszentrum Jülich en Allemagne a maintenant réussi pour la première fois à réaliser un ensemble d’opérations de calcul sur deux bits quantiques logiques qui peuvent être utilisé pour mettre en œuvre toute opération possible. « Pour un ordinateur quantique du monde réel, nous avons besoin d’un ensemble universel de portes avec lesquelles nous pouvons programmer tous les algorithmes », explique Lukas Postler, un physicien expérimental d’Innsbruck.

    Opération quantique fondamentale réalisée

    L’équipe de chercheurs a implémenté cet ensemble de portes universelles sur un ordinateur quantique à piège à ions comportant 16 atomes piégés. L’information quantique était stockée dans deux bits quantiques logiques, chacun réparti sur sept atomes.

    Maintenant, pour la première fois, il a été possible d’implémenter deux portes de calcul sur ces bits quantiques tolérants aux pannes, qui sont nécessaires pour un ensemble universel de portes : une opération de calcul sur deux bits quantiques (une porte CNOT) et un T logique porte, qui est particulièrement difficile à mettre en œuvre sur des bits quantiques tolérants aux pannes.

    « Les portes T sont des opérations très fondamentales », explique le physicien théoricien Markus Müller. « Ils sont particulièrement intéressants car les algorithmes quantiques sans portes T peuvent être simulés relativement facilement sur des ordinateurs classiques, annulant toute accélération possible. Ce n’est plus possible pour les algorithmes avec portes T. » Les physiciens ont démontré la porte T en préparant un état spécial dans un bit quantique logique et en le téléportant vers un autre bit quantique via une opération de porte intriquée.

    La complexité augmente, mais la précision aussi

    Dans les bits quantiques logiques codés, les informations quantiques stockées sont protégées contre les erreurs. Mais cela est inutile sans opérations de calcul et ces opérations sont elles-mêmes sujettes aux erreurs.

    Les chercheurs ont mis en œuvre des opérations sur les qubits logiques de manière à ce que les erreurs causées par les opérations physiques sous-jacentes puissent également être détectées et corrigées. Ainsi, ils ont implémenté la première implémentation tolérante aux pannes d’un ensemble universel de portes sur des bits quantiques logiques codés.

    « L’implémentation tolérante aux pannes nécessite plus d’opérations que les opérations non tolérantes aux pannes. Cela introduira plus d’erreurs à l’échelle des atomes uniques, mais néanmoins les opérations expérimentales sur les qubits logiques sont meilleures que les opérations logiques non tolérantes aux pannes », Thomas Monz est heureux d’annoncer. « L’effort et la complexité augmentent, mais la qualité résultante est meilleure. » Les chercheurs ont également vérifié et confirmé leurs résultats expérimentaux à l’aide de simulations numériques sur des ordinateurs classiques.

    Les physiciens ont maintenant démontré tous les éléments constitutifs du calcul tolérant aux pannes sur un ordinateur quantique. La tâche consiste maintenant à mettre en œuvre ces méthodes sur des ordinateurs quantiques plus grands et donc plus utiles. Les méthodes démontrées à Innsbruck sur un ordinateur quantique à piège à ions peuvent également être utilisées sur d’autres architectures d’ordinateurs quantiques.

    Le soutien financier de la recherche a été fourni, entre autres, par l’Union européenne dans le cadre de l’initiative phare Quantum ainsi que par l’Agence autrichienne de promotion de la recherche FFG, le Fonds scientifique autrichien FWF et la Fédération des industries autrichiennes du Tyrol.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université d’Innsbruck. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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