Les ordinateurs quantiques à atomes neutres ont un moment – Physics World

Republié par Platon

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Optique baignée de lumière verte et bleue — Tous les systèmes fonctionnent : un faisceau de lumière laser dans le laboratoire de Jeff Thompson à l'Université de Princeton, où lui et ses collègues ont récemment démontré une nouvelle façon d'effacer les erreurs dans un ordinateur quantique à atomes neutres. (Avec l'aimable autorisation de Frank Wojciechowski)

Dans la course à la plate-forme informatique quantique du futur, les atomes neutres ont été un peu négligés. Bien que les bits quantiques (qubits) basés sur des atomes neutres présentent plusieurs caractéristiques intéressantes, notamment la facilité d'augmenter le nombre de qubits et d'effectuer des opérations sur ceux-ci en parallèle, l'attention s'est principalement portée sur les plates-formes concurrentes. Bon nombre des plus grandes machines sont construites avec des qubits supraconducteurs, y compris ceux développés à IBM, Google, Amazonet une Microsoft. D'autres sociétés ont opté pour les ions, comme Honeywell ainsi que IonQ, ou photons, comme Xanadu.

Cependant, au cours des dernières semaines, plusieurs développements frappants ont poussé les atomes neutres vers l’avant du peloton. L'un d'eux provenait d'une start-up appelée Atom Computing, qui annoncé fin octobre qu'il aura bientôt un Machine à atomes neutres de 1000 XNUMX qubits prêt pour les clients – le premier appareil quantique commercial à franchir cette étape. Les autres provenaient de trois équipes de chercheurs qui ont publié des études distinctes dans Nature décrivant des plates-formes à atomes neutres avec un faible bruit, de nouvelles capacités d'atténuation des erreurs et un fort potentiel de mise à l'échelle jusqu'à un nombre encore plus grand de qubits.

Pour toute plateforme de qubits, les plus grands obstacles à des opérations quantiques robustes sont le bruit et les erreurs qu’il provoque. "La correction des erreurs est vraiment la frontière de l'informatique quantique", déclare Jeff Thompson, physicien à l'Université de Princeton, aux États-Unis, qui a dirigé une des trois études avec Shruti Puri de l'Université de Yale, aux États-Unis. "C'est la chose qui se tient entre nous et qui fait des calculs utiles."

La raison pour laquelle la correction d’erreurs est si importante est qu’elle rend les calculs possibles même si le matériel sous-jacent est sujet au bruit. Les ordinateurs classiques utilisent une stratégie simple de correction d'erreurs appelée code de répétition : stockez les mêmes informations plusieurs fois de sorte que s'il y a une erreur sur un bit, le "vote majoritaire" des bits restants pointe toujours vers la valeur correcte. Les algorithmes de correction d’erreurs quantiques en sont essentiellement des versions plus complexes, mais avant qu’une plate-forme puisse en bénéficier, son matériel doit répondre à certaines exigences minimales de fidélité. Pour les algorithmes quantiques traditionnels, la règle générale est que le taux d’erreur pour l’unité minimale de calcul quantique – une porte quantique – doit être inférieur à 1 %.

Réduire le bruit

Des chercheurs dirigés par Mikhail Lukin de l'Université Harvard, aux États-Unis, sont signale maintenant que leur ordinateur quantique à atomes neutres a atteint ce seuil, atteignant un taux d'erreur de 0.5 %. Ils ont atteint cette étape en mettant en œuvre des portes à deux qubits d'une manière lancée par les équipes de Allemagne ainsi que France, et leur machine, qu'ils ont développée avec des collègues du Massachusetts Institute of Technology (MIT) voisin et Informatique QuEra, fonctionne comme suit.

Tout d’abord, une vapeur d’atomes de rubidium est refroidie juste au-dessus du zéro absolu. Ensuite, les atomes individuels sont capturés et retenus par des faisceaux laser étroitement focalisés selon une technique connue sous le nom de pincement optique. Chaque atome représente un seul qubit et des centaines sont disposés dans un tableau bidimensionnel. L’information quantique contenue dans ces qubits – un zéro ou un ou une superposition quantique des deux – est stockée dans deux niveaux d’énergie différents des atomes de rubidium.

Pour réaliser une porte à deux qubits, deux atomes sont rapprochés et simultanément éclairés par un laser. L'éclairage promeut l'un des électrons de l'atome à un niveau d'énergie élevé connu sous le nom d'état de Rydberg. Une fois dans cet état, les atomes interagissent facilement avec leurs voisins proches, rendant ainsi possible le fonctionnement de la porte.

Pour améliorer la fidélité de l'opération, l'équipe a utilisé une séquence d'impulsions optimisée récemment développée pour exciter les deux atomes jusqu'à l'état de Rydberg et les ramener vers le bas. Cette séquence d'impulsions est plus rapide que les versions précédentes, ce qui donne moins de chances aux atomes de se désintégrer dans un mauvais état, ce qui interromprait le calcul. La combinaison de cela avec d’autres améliorations techniques a permis à l’équipe d’atteindre une fidélité de 99.5 % pour les portes à deux qubits.

Bien que d’autres plates-formes aient atteint des fidélités comparables, les ordinateurs quantiques à atomes neutres peuvent effectuer davantage de calculs en parallèle. Dans leur expérience, Lukin et son équipe ont appliqué leur porte à deux qubits à 60 qubits à la fois simplement en les éclairant avec la même impulsion laser. "Cela le rend très, très spécial", explique Lukin, "car nous pouvons avoir des hautes fidélités et nous pouvons le faire en parallèle avec un seul contrôle global. Aucune autre plateforme ne peut réellement faire cela.

Effacer les erreurs

Dessin d'artiste représentant cinq sphères alignées. Les sphères représentent des atomes ; quatre des atomes sont jaunes, tandis que l'un d'eux brille en rose — Atome étrange : en trouvant un moyen d'identifier les atomes dans le "mauvais" état et de les effacer du système, des chercheurs de Princeton, Yale et Caltech ont montré comment rendre les opérations quantiques plus efficaces dans les machines à atomes neutres. (Autorisation : Caltech/Lance Hayashida)

Tandis que l'équipe de Lukin optimisait son expérience pour atteindre le seuil de fidélité pour l'application des schémas de correction d'erreurs, Thompson et Puri, en collaboration avec des collègues de l'Université de Strasbourg, en France, ont trouvé un moyen de convertir certains types d'erreurs en effacements, les supprimant ainsi complètement du système. . Cela rend ces erreurs beaucoup plus faciles à corriger, abaissant ainsi le seuil de fonctionnement des systèmes de correction d’erreurs.

La configuration de Thompson et Puri est similaire à celle de l'équipe Harvard-MIT, avec des atomes individuels ultrafroids tenus dans des pincettes optiques. La principale différence est qu’ils ont utilisé des atomes d’ytterbium au lieu du rubidium. L'ytterbium a une structure de niveau d'énergie plus complexe que le rubidium, ce qui le rend plus difficile à travailler mais offre également plus d'options pour coder les états quantiques. Dans ce cas, les chercheurs ont codé le « zéro » et le « un » de leurs qubits dans deux états métastables, plutôt que dans les deux niveaux d’énergie les plus bas traditionnels. Bien que ces états métastables aient des durées de vie plus courtes, de nombreux mécanismes d’erreur possibles feraient sortir les atomes de ces états et les ramèneraient à l’état fondamental, où ils pourraient être détectés.

Pouvoir supprimer les erreurs est une grande aubaine. Classiquement, si plus de la moitié des bits d’un code de répétition comportent des erreurs, des informations erronées seront transmises. "Mais avec le modèle d'effacement, il est beaucoup plus puissant car je sais désormais quels éléments comportent une erreur, ce qui me permet de les exclure du vote majoritaire", explique Thompson. « Donc, tout ce dont j’ai besoin, c’est qu’il en reste un bon morceau. »

Grâce à leur technique de conversion par effacement, Thompson et ses collègues ont pu détecter environ un tiers des erreurs en temps réel. Bien que leur fidélité de porte à deux qubits de 98 % soit inférieure à celle de la machine de l'équipe Harvard-MIT, Thompson note qu'ils ont utilisé près de 10 000 fois moins de puissance laser pour piloter leur porte, et qu'augmenter la puissance augmentera les performances tout en permettant également une plus grande fraction d’erreurs à détecter. La technique d'effacement des erreurs abaisse également le seuil de correction des erreurs en dessous de 99 % ; dans un scénario où presque toutes les erreurs sont converties en effacements, ce qui, selon Thompson, devrait être possible, le seuil pourrait être aussi bas que 90 %.

Effacement des erreurs de multiplexage

Dans un résultat associé, des chercheurs du California Institute of Technology, aux États-Unis (Caltech), ont également converti les erreurs en effacements. Leur machine à atomes neutres à base de strontium est un type d'ordinateur quantique plus restreint connu sous le nom de simulateur quantique : bien qu'ils puissent exciter des atomes jusqu'à l'état de Rydberg et créer des superpositions intriquées entre les états fondamental et Rydberg, leur système n'a qu'un seul état fondamental, ce qui signifie qu’ils ne peuvent pas stocker d’informations quantiques à long terme.

Un nouveau qubit à atomes neutres offre des avantages pour l'informatique quantique

Pourtant, ils ont créé ces superpositions enchevêtrées avec une fidélité sans précédent : 99.9 %. Ils ont également réalisé une énorme superposition composée non seulement de deux atomes, mais de 26, et ont amélioré la fidélité en effaçant certaines erreurs. "En gros, nous montrons qu'il est possible d'introduire cette technique de manière significative dans le domaine des corps multiples", déclare Adam Shaw, doctorant à Le groupe de Manuel Endres à Caltech.

Ensemble, ces trois avancées démontrent les capacités des ordinateurs quantiques à atomes neutres, et les chercheurs affirment que leurs idées peuvent être combinées dans une machine qui fonctionne encore mieux que celles démontrées jusqu'à présent. "Le fait que toutes ces œuvres soient sorties ensemble est un peu le signe que quelque chose de spécial est sur le point de se produire", conclut Lukin.