Le caractère aléatoire des machines quantiques permet de vérifier leur précision

Dans les ordinateurs quantiques et autres systèmes quantiques expérimentaux, les informations se propagent autour des appareils et deviennent rapidement brouillées comme des dés dans un jeu de Boggle. Ce processus de brouillage se produit lorsque les unités de base du système, appelées qubits (comme les bits informatiques uniquement quantiques) s’enchevêtrent les unes avec les autres ; l’intrication est un phénomène de la physique quantique où les particules se lient les unes aux autres et restent connectées même si elles ne sont pas en contact direct.

Ces dispositifs quantiques imitent ce qui se passe dans la nature et permettent aux scientifiques de développer de nouveaux matériaux exotiques potentiellement utiles en médecine, en électronique informatique et dans d’autres domaines.

Les ordinateurs quantiques à grande échelle sont encore dans des années, mais les chercheurs effectuent déjà des expériences sur des simulateurs quantiques, des dispositifs quantiques conçus pour résoudre des problèmes spécifiques, tels que la simulation efficace de supraconducteurs à haute température et d’autres matériaux quantiques. Les machines pourraient également résoudre des problèmes d’optimisation complexes, tels que la planification d’itinéraires pour les véhicules autonomes afin de s’assurer qu’ils n’entrent pas en collision.

L’un des défis liés à l’utilisation de ces machines quantiques est qu’elles sont très sujettes aux erreurs, bien plus que les ordinateurs classiques. Il est également beaucoup plus difficile d’identifier les erreurs dans ces nouveaux systèmes. “Pour la plupart, les ordinateurs quantiques font beaucoup d’erreurs”, déclare Adam Shaw, étudiant diplômé en physique de Caltech et l’un des deux auteurs principaux d’une étude dans la revue La nature sur une nouvelle méthode pour vérifier la précision des appareils quantiques. “Vous ne pouvez pas ouvrir la machine et regarder à l’intérieur, et il y a une énorme quantité d’informations stockées, trop pour qu’un ordinateur classique puisse les comptabiliser et les vérifier.”

Dans le La nature étude, Shaw et le co-auteur principal Joonhee Choi, un ancien chercheur postdoctoral à Caltech qui est maintenant professeur à l’Université de Stanford, démontrent une nouvelle façon de mesurer la précision d’un appareil quantique, également connue sous le nom de fidélité. Les deux chercheurs travaillent dans le laboratoire de Manuel Endres, professeur de physique à Caltech et boursier Rosenberg.

La clé de leur nouvelle stratégie est le hasard. Les scientifiques ont découvert et caractérisé un nouveau type d’aléatoire concernant la manière dont l’information est brouillée dans les systèmes quantiques. Mais même si le comportement quantique est aléatoire, des modèles statistiques universels peuvent être identifiés dans le bruit.

“Nous souhaitons mieux comprendre ce qui se passe lorsque les informations sont brouillées”, a déclaré Choi. “Et en analysant ce comportement avec des statistiques, nous pouvons rechercher des écarts dans les modèles qui indiquent que des erreurs ont été commises.”

“Nous ne voulons pas seulement un résultat de nos machines quantiques, nous voulons un résultat vérifié”, déclare Endres. “En raison du chaos quantique, une seule erreur microscopique conduit à un résultat macroscopique complètement différent, assez similaire à l’effet papillon. Cela nous permet de détecter efficacement l’erreur.”

Les chercheurs ont démontré leur protocole sur un simulateur quantique avec jusqu’à 25 qubits. Pour déterminer si des erreurs se sont produites, ils ont mesuré le comportement du système jusqu’au niveau du qubit unique des milliers de fois. En examinant l’évolution des qubits au fil du temps, les chercheurs ont pu identifier des modèles dans le comportement apparemment aléatoire, puis rechercher des écarts par rapport à ce qu’ils attendaient. En fin de compte, en trouvant des erreurs, les chercheurs sauront comment et quand les corriger.

“Nous pouvons suivre la façon dont les informations se déplacent dans un système avec une résolution de qubit unique”, explique Choi. “La raison pour laquelle nous pouvons faire cela est que nous avons également découvert que ce caractère aléatoire, qui se produit naturellement, est représenté au niveau d’un seul qubit. Vous pouvez voir le modèle aléatoire universel dans les sous-parties du système.”

Shaw compare leur travail à la mesure du clapotis des vagues sur un lac. “Si un vent arrive, vous aurez des pics et des creux sur le lac, et même si cela peut sembler aléatoire, on pourrait identifier un modèle au hasard et suivre comment le vent affecte l’eau. Nous serions en mesure de dire si le vent changements en analysant comment le modèle change. Notre nouvelle méthode nous permet de la même manière de rechercher des changements dans le système quantique qui indiqueraient des erreurs.