Une équipe de scientifiques de l’Université de Yale a démontré expérimentalement l’une des étapes clés de la construction de l’architecture des ordinateurs quantiques – la “téléportation” d’une porte quantique entre deux qubits logiques, sur demande.
Une puce conçue pour fonctionner comme un processeur d’optimisation quantique adiabatique supraconducteur de 128 qubits. Crédit image : D-Wave Systems, Inc.
Un ordinateur quantique a le potentiel de résoudre efficacement des problèmes qui sont insolubles pour les ordinateurs classiques.
Cependant, la construction d’un processeur quantique à grande échelle est un défi en raison des erreurs et du bruit qui sont inhérents aux systèmes quantiques du monde réel.
Une approche pour relever ce défi est d’utiliser la modularité – une stratégie fréquemment utilisée dans la nature et l’ingénierie pour construire des systèmes complexes de manière robuste.
“Une architecture modulaire quantique consiste en une collection de modules qui fonctionnent comme de petits processeurs quantiques connectés dans un réseau plus large”, expliquent les chefs d’équipe, le professeur Robert Schoelkopf et le Dr Kevin Chou, ainsi que leurs collègues.
“Les modules de cette architecture sont naturellement isolés les uns des autres, ce qui réduit les interactions indésirables à travers le système plus large.”
“Pourtant, cette isolation rend également l’exécution d’opérations entre modules un défi distinct. Les portes téléportées sont un moyen de mettre en œuvre des opérations inter-modules.”
Construction d’une architecture modulaire et d’une porte téléportée : (a) vue d’ensemble du réseau de l’architecture quantique modulaire ; les modules sont représentés comme des nœuds d’un réseau quantique et sont composés de qubits de données (magenta) et de qubits de communication (cyan) ; le couplage entre les modules est généré par des canaux de communication reconfigurables qui peuvent être activés (lignes violettes foncées) ou désactivés (lignes violettes claires) ; (b) modules quantiques ; chaque module abrite un petit processeur quantique capable d’effectuer des opérations haute fidélité entre les qubits de données et les qubits de communication ; dans l’expérience, Chou et al. créent deux modules, chacun composé d’un qubit de données (D1 et D2) et d’un qubit de communication (C1 et C2) ; (c) circuit téléporté entre D1 et D2 ; le circuit téléporté nécessite : (1) une intrication entre C1 et C2 (méandre violet), (2) des opérations locales, (3) une mesure de C1 dans la base Z et de C2 dans la base X, où X et Z sont des opérateurs de Pauli, et (4) une communication classique (lignes doubles) et des opérations de feedforward ; (d) réalisation expérimentale (vue de dessus schématique) dans une implémentation circuit-électrodynamique quantique 3D ; chaque module est constitué d’un qubit de données défini comme une cavité 3D coaxiale d’un quart de longueur d’onde (λ/4) (magenta), d’un qubit de communication défini comme un qubit transmon en forme de Y (cyan) et d’un résonateur de lecture à filtre de Purcell, quasi-plan, λ/2 stripline (noir) ; dans cette expérience, les deux modules sont reliés par un mode supplémentaire réalisé comme une cavité 3D coaxiale λ/4 (violet) qui sert de mode bus. Crédit image : Chou et al, doi :10.1038/s41586-018-0470-y.
En utilisant un protocole théorique développé dans les années 1990, le professeur Schoelkopf, le Dr Chou et leurs co-auteurs ont démontré une opération quantique, ou ” porte “, sans s’appuyer sur une interaction directe.
Notre travail est la première démonstration de ce protocole où la communication classique se produit en temps réel, ce qui nous permet de mettre en œuvre une opération “déterministe” qui effectue l’opération désirée à chaque fois”, a déclaré le Dr Chou.
“Les calculs quantiques sont effectués via des bits de données délicats appelés qubits, qui sont sujets à des erreurs”, a ajouté le professeur Schoelkopf.
“Dans les systèmes quantiques expérimentaux, les qubits ‘logiques’ sont surveillés par des qubits ‘auxiliaires’ afin de détecter et de corriger immédiatement les erreurs.”
“Notre expérience est également la première démonstration d’une opération à deux qubits entre qubits logiques.”
“C’est une étape importante vers le traitement de l’information quantique à l’aide de qubits corrigibles d’erreurs.”
Les résultats de l’équipe sont publiés dans la revue. Nature.