Impression d’artiste des opérations de porte sur des bits quantiques logiques, qui sont protégés des erreurs par la correction quantique des erreurs. Crédit : Johannes Knünz
Démonstration des éléments fondamentaux de l’informatique quantique tolérante aux fautes.
Grâce à une fabrication de haute qualité, les erreurs de traitement et de stockage des informations sont devenues rares dans les ordinateurs modernes. Cependant, pour les applications critiques, où même une seule erreur peut avoir des effets graves, on utilise encore des mécanismes de correction d’erreurs basés sur la redondance des données traitées.
Les ordinateurs quantiques sont par nature beaucoup plus sensibles aux perturbations et, par conséquent, des mécanismes de correction d’erreurs seront presque certainement toujours nécessaires. Sinon, les erreurs se propageraient de manière incontrôlée dans le système et l’information serait perdue. Étant donné que les lois fondamentales de la mécanique quantique interdisent la copie d’informations quantiques, la redondance peut être obtenue en distribuant des informations quantiques logiques dans un état enchevêtré de plusieurs systèmes physiques, par exemple plusieurs atomes individuels.
L’équipe de recherche, 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 réussi pour la première fois à réaliser un ensemble d’opérations de calcul sur deux bits quantiques logiques qui peuvent être utilisés pour mettre en œuvre n’importe quelle 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, physicien expérimental d’Innsbruck.
Opération quantique fondamentale réalisée
L’équipe de chercheurs a mis en œuvre 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 une porte T logique, qui est particulièrement difficile à implémenter sur des bits quantiques tolérants aux pannes.
Démonstration des éléments fondamentaux de l’informatique quantique tolérante aux pannes. Crédit : Uni Innsbruck/Harald Ritsch
“Les portes en T sont des opérations très fondamentales”, explique le physicien théoricien Markus Müller. “Elles sont particulièrement intéressantes parce que 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 des portes en T”. Les physiciens ont fait la démonstration de la T-gate 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, l’information quantique stockée est protégée des erreurs. Mais cela est inutile sans opérations de calcul et ces opérations sont elles-mêmes sujettes à des erreurs.
Les chercheurs ont mis en œuvre des opérations sur les qubits logiques de telle sorte que les erreurs causées par les opérations physiques sous-jacentes puissent également être détectées et corrigées. Ainsi, ils ont mis en œuvre la première implémentation tolérante aux fautes d’un ensemble universel de portes sur des bits quantiques logiques codés.
“L’implémentation tolérante aux fautes nécessite plus d’opérations que les opérations non tolérantes aux fautes. 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 fautes”, se félicite Thomas Monz. “L’effort et la complexité augmentent, mais la qualité du résultat 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 de l’informatique tolérante aux pannes sur un ordinateur quantique. Il s’agit maintenant de 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.
Référence : “Demonstration of fault-tolerant universal quantum gate operations” par Lukas Postler, Sascha Heuβen, Ivan Pogorelov, Manuel Rispler, Thomas Feldker, Michael Meth, Christian D. Marciniak, Roman Stricker, Martin Ringbauer, Rainer Blatt, Philipp Schindler, Markus Müller et Thomas Monz, 25 mai 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04721-1
Le soutien financier de cette recherche a été fourni, entre autres, par l’Union européenne dans le cadre de l’initiative Quantum Flagship ainsi que par l’Agence autrichienne de promotion de la recherche FFG, le Fonds autrichien pour la science FWF et la Fédération des industries autrichiennes du Tyrol.
