Des expériences prouvent que les erreurs de calcul quantique sont corrélées, liées aux rayons cosmiques

Qubits Cosmic Rays
Qubits Rayons Cosmiques

Dans des expériences menées à l’Université du Wisconsin-Madison, les chercheurs ont découvert que les fluctuations de la charge électrique de plusieurs bits quantiques, ou « qubits », peuvent être fortement corrélées, par opposition à complètement aléatoires et indépendantes. L’équipe a également lié de minuscules perturbations causant des erreurs dans l’état de charge des qubits à l’absorption des rayons cosmiques. Crédit : Illustration avec l’aimable autorisation de UW-Madison

Les recherches menées par un physicien du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et de nombreux collaborateurs jettent un nouvel éclairage sur l’un des défis majeurs pour réaliser la promesse et le potentiel de l’informatique quantique – correction des erreurs.

Dans un nouvel article publié dans La nature et co-écrit par Jonathan DuBois, physicien du LLNL, les scientifiques ont examiné la stabilité de l’informatique quantique, en particulier les causes des erreurs et la façon dont les circuits quantiques y réagissent. Cela doit être compris afin de construire un système quantique fonctionnel. Les autres co-auteurs comprenaient des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison, du Fermi National Accelerator Laboratory, de Google, de l’Université de Stanford et d’universités internationales.

Au cours d’expériences réalisées à l’UW-Madison, l’équipe de recherche a caractérisé un appareil de banc d’essai quantique, en découvrant que les fluctuations de la charge électrique de plusieurs bits quantiques, ou « qubits » – l’unité de base d’un ordinateur quantique – peuvent être fortement corrélées, par opposition à complètement aléatoire et indépendant. Lorsqu’un événement perturbateur se produit, tel qu’un sursaut d’énergie provenant de l’extérieur du système, il peut affecter simultanément chaque qubit à proximité de l’événement, entraînant des erreurs corrélées pouvant s’étendre sur l’ensemble du système, ont découvert les chercheurs. De plus, l’équipe a lié de minuscules perturbations causant des erreurs dans l’état de charge des qubits à l’absorption des rayons cosmiques, une découverte qui a déjà un impact sur la conception des ordinateurs quantiques.

« Pour la plupart, les schémas conçus pour corriger les erreurs dans les ordinateurs quantiques supposent que les erreurs entre les qubits ne sont pas corrélées – elles sont aléatoires. Les erreurs corrélées sont très difficiles à corriger », a déclaré le co-auteur DuBois, qui dirige le groupe Quantum Coherent Device Physics (QCDP) de LLNL. « Essentiellement, ce que montre cet article, c’est que si un rayon cosmique de haute énergie frappe l’appareil quelque part, il a le potentiel d’affecter tout ce qui se trouve dans l’appareil à la fois. À moins que vous ne puissiez empêcher que cela se produise, vous ne pouvez pas effectuer une correction d’erreurs efficacement et vous ne pourrez jamais créer un système fonctionnel sans cela.

Contrairement aux bits trouvés dans les ordinateurs classiques, qui ne peuvent exister que dans des états binaires – des zéros ou des uns – les qubits qui composent un ordinateur quantique peuvent exister en superpositions. Pendant quelques centaines de microsecondes, les données d’un qubit peuvent être à un ou à zéro avant d’être projetées dans un état binaire classique. Alors que les bits ne sont sensibles qu’à un seul type d’erreur, sous leur état de charge excitée temporaire, les qubits délicats sont sensibles à deux types d’erreur, résultant des changements qui peuvent se produire dans l’environnement.

Des impulsions chargées, même infimes comme celles des rayons cosmiques absorbés par le système, peuvent créer une explosion d’électrons (relativement) de haute énergie qui peuvent chauffer le substrat du dispositif quantique juste assez longtemps pour perturber les qubits et perturber leurs états quantiques, le les chercheurs ont trouvé. Lorsqu’un impact de particules se produit, il produit un sillage d’électrons dans l’appareil. Ces particules chargées traversent les matériaux de l’appareil, dispersant les atomes et produisant des vibrations et de la chaleur à haute énergie. Cela modifie le champ électrique ainsi que l’environnement thermique et vibratoire autour des qubits, entraînant des erreurs, a expliqué DuBois.

“Nous avons toujours su que cela était possible et un effet potentiel – l’un des nombreux qui peuvent influencer le comportement d’un qubit”, a ajouté DuBois. « Nous avons même plaisanté lorsque nous avons vu de mauvaises performances que c’était peut-être à cause des rayons cosmiques. L’importance de cette recherche est que, étant donné ce type d’architecture, elle impose des limites quantitatives à ce à quoi vous pouvez vous attendre en termes de performances pour les conceptions d’appareils actuelles en présence de rayonnement environnemental.

Pour visualiser les perturbations, les chercheurs ont envoyé des signaux radiofréquence dans un système à quatre qubits et, en mesurant leur spectre d’excitation et en effectuant une spectroscopie dessus, ont pu voir les qubits « basculer » d’un état quantique à un autre, observant qu’ils se déplacent tous dans l’énergie en même temps, en réponse aux changements de l’environnement de charge.

“Si notre modèle sur les impacts des particules est correct, nous nous attendrions à ce que la majeure partie de l’énergie soit convertie en vibrations dans la puce qui se propagent sur de longues distances”, a déclaré Chris Wilen, étudiant diplômé de l’UW-Madison, auteur principal de l’article. “Au fur et à mesure que l’énergie se propage, la perturbation conduirait à des retournements de qubit qui sont corrélés sur l’ensemble de la puce.”

En utilisant la méthode, les chercheurs ont également examiné la durée de vie des qubits – la durée pendant laquelle les qubits peuvent rester dans leur superposition de un et de zéro – et les changements corrélés de l’état de charge avec une réduction de la durée de vie de tous les qubits du système.

L’équipe a conclu que la correction des erreurs quantiques nécessitera le développement de stratégies d’atténuation pour protéger les systèmes quantiques des erreurs corrélées dues aux rayons cosmiques et à d’autres impacts de particules.

“Je pense que les gens ont abordé le problème de la correction des erreurs d’une manière trop optimiste, faisant aveuglément l’hypothèse que les erreurs ne sont pas corrélées”, a déclaré Robert McDermott, professeur de physique à UW-Madison, auteur principal de l’étude. “Nos expériences montrent absolument que les erreurs sont corrélées, mais à mesure que nous identifions les problèmes et développons une compréhension physique approfondie, nous allons trouver des moyens de les contourner.”

Bien que théorisé depuis longtemps, DuBois a déclaré que les découvertes de l’équipe n’avaient jamais été prouvées expérimentalement dans un appareil multi-qubit auparavant. Les résultats auront probablement un impact sur l’architecture du futur système quantique, par exemple en plaçant des ordinateurs quantiques derrière un blindage en plomb ou sous terre, en introduisant des dissipateurs thermiques ou des amortisseurs pour absorber rapidement l’énergie et isoler les qubits, et modifier les types de matériaux utilisés dans les systèmes quantiques.

LLNL dispose actuellement d’un système de banc d’essai d’informatique quantique, conçu et construit grâce au financement d’une initiative stratégique de recherche et développement dirigés par des laboratoires (LDRD) qui a débuté en 2016. Il est développé avec le soutien continu du programme Advanced Simulation & Computing de la National Nuclear Security Administration et de son projet Beyond Moore’s Law.

Dans le cadre de travaux de suivi connexes, DuBois et son équipe du groupe QCDP étudient un dispositif quantique nettement moins sensible à l’environnement de charge. Aux températures extrêmement froides requises par les ordinateurs quantiques (les systèmes sont maintenus à des températures plus froides que l’espace extra-atmosphérique), DuBois a déclaré que les chercheurs ont observé que le transport d’énergie thermique et cohérent est qualitativement différent de la température ambiante. Par exemple, au lieu de se diffuser, l’énergie thermique peut rebondir dans le système comme des ondes sonores.

DuBois a déclaré que lui et son équipe se concentraient sur la compréhension de la dynamique de “l’explosion microscopique” qui se produit à l’intérieur des appareils informatiques quantiques lorsqu’ils interagissent avec des particules à haute énergie et sur le développement de moyens d’absorber l’énergie avant qu’elle ne puisse perturber les états quantiques délicats stockés dans l’appareil. .

« Il existe potentiellement des moyens de concevoir le système afin qu’il soit aussi insensible que possible à ce genre d’événements, et pour ce faire, vous devez vraiment bien comprendre comment il chauffe, comment il refroidit et ce qui se passe exactement. tout au long du processus lorsqu’il est exposé à un rayonnement de fond », a déclaré DuBois. « La physique de ce qui se passe est assez intéressante. C’est une frontière, même en dehors des applications quantiques, en raison des bizarreries de la façon dont l’énergie est transportée à ces basses températures. Cela en fait un défi de physique.

DuBois a travaillé avec le chercheur principal de l’article, McDermott (UW-Madison) et son groupe pour développer des moyens d’utiliser les qubits comme détecteurs pour mesurer le biais de charge, la méthode que l’équipe a utilisée dans l’article pour mener leurs expériences.

Référence : « Correlated charge noise and relaxation error in supraconducting qubits » par CD Wilen, S. Abdullah, NA Kurinsky, C. Stanford, L. Cardani, G. D’Imperio, C. Tomei, L. Faoro, LB Ioffe, CH Liu, A. Opremcak, BG Christensen, JL DuBois et R. McDermott, 16 juin 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03557-5

Le travail présenté, y compris la contribution de DuBois, a été financé par une subvention de collaboration entre LLNL et UW-Madison de l’Office of Science du département américain de l’Énergie.

L’article comprenait des co-auteurs de l’UW-Madison, du Fermi National Accelerator Laboratory, du Kavli Institute for Cosmological Physics au Université de Chicago, Stanford University, INFN Sezione di Roma, Sorbonne Universite’s Laboratoire de Physique Theorique et Hautes Energies and Google.

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