Les ordinateurs quantiques font la torsion (instantanée)

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Contrairement à d’autres types d’ordinateurs quantiques, les ordinateurs quantiques construits au-dessus de la correction d’erreur topologique répandent l’équivalent d’un qubit d’informations sur un réseau de nombreux qubits. Crédit: Gerd Altmann / Pixabay

Indépendamment de ce qui constitue les entrailles d’un ordinateur quantique, ses calculs rapides se résument tous à des séquences d’instructions simples appliquées aux qubits – les unités d’information de base à l’intérieur d’un ordinateur quantique.

Que cet ordinateur soit construit à partir de chaînes d’ions, de jonctions de supraconducteurs ou de puces de silicium, il s’avère qu’une poignée d’opérations simples, qui n’affectent qu’un ou deux qubits à la fois, peuvent se mélanger pour créer n’importe quel programme informatique quantique. une caractéristique qui rend une poignée particulière «universelle». Les scientifiques appellent ces opérations simples portes quantiques, et ils ont passé des années à optimiser la façon dont les portes s’emboîtent. Ils ont réduit le nombre de portes (et de qubits) requis pour un calcul donné et ont découvert comment tout faire tout en s’assurant que les erreurs ne s’infiltrent pas et ne provoquent pas un échec.

Désormais, les chercheurs de JQI ont découvert des moyens d’implémenter des portes robustes et résistantes aux erreurs en utilisant juste un nombre constant de blocs de construction simples, obtenant essentiellement la meilleure réduction possible d’un paramètre appelé profondeur de circuit. Leurs résultats, qui s’appliquent aux ordinateurs quantiques basés sur des codes correcteurs d’erreurs quantiques topologiques, ont été rapportés dans deux articles publiés récemment dans les revues. Lettres d’examen physique et Examen physique B, et développé dans un troisième article publié plus tôt dans la revue Quantum.

La profondeur du circuit compte le nombre de portes qui affectent chaque qubit, et une profondeur constante signifie que le nombre de portes nécessaires pour une opération donnée n’augmentera pas à mesure que l’ordinateur grandit – une nécessité si les erreurs doivent être tenues à distance. C’est une fonctionnalité prometteuse pour les ordinateurs quantiques robustes et universels, déclare Maissam Barkeshli, JQI Fellow et professeur agrégé de physique à l’Université du Maryland (UMD).

«Nous avons découvert qu’une énorme classe d’opérations dans des états topologiques de la matière et des codes de correction d’erreurs topologiques peut être mise en œuvre via des circuits unitaires à profondeur constante», explique Barkeshli, qui est également membre du Centre de théorie de la matière condensée de l’UMD.

Contrairement à d’autres types d’ordinateurs quantiques, les ordinateurs quantiques construits au-dessus de la correction d’erreur topologique – qui jusqu’à présent n’ont été étudiés que théoriquement – ne stockent pas d’informations dans des qubits physiques individuels. Au lieu de cela, ils étalent la valeur d’un seul qubit d’informations sur un réseau de nombreux qubits – ou, plus exotique, sur des matériaux topologiques spéciaux.

Ce maculage d’informations offre une résilience contre les fragments de lumière parasites ou les minuscules vibrations (perturbations quantiques qui peuvent provoquer des erreurs) et permet de détecter de petites erreurs puis de les corriger activement pendant un calcul. C’est l’un des principaux avantages qu’offrent les ordinateurs quantiques basés sur la correction d’erreur topologique. Mais l’avantage a un coût: si le bruit ne peut pas accéder facilement aux informations, vous non plus.

Jusqu’à présent, il semblait que l’exploitation d’un tel ordinateur quantique nécessitait de petites modifications séquentielles du réseau qui stockait les informations – souvent représentées sous forme de grille ou de réseau en deux dimensions. Avec le temps, ces petits changements s’additionnent et déplacent effectivement une région du réseau dans une boucle autour d’une autre région, laissant le réseau identique à celui qu’il avait commencé.

Les ordinateurs quantiques font la torsion (instantanée)

Les réseaux de qubits (représentés par des points noirs dans l’image de droite) sont déformés afin de tresser deux régions (représentées par des points rouges et bleus) l’une autour de l’autre. Ces images montrent deux étapes intermédiaires du processus. Crédit: Images fournies avec l’aimable autorisation des auteurs.

Ces transformations du réseau sont appelées tresses car les motifs qu’elles tracent dans l’espace et le temps ressemblent à des cheveux tressés ou à une miche de pain tressée. Si vous imaginez empiler des instantanés du réseau comme des crêpes, ils formeront – étape par étape – une tresse abstraite. Selon la physique sous-jacente du réseau – y compris les types de particules, appelées anyons, qui peuvent sauter dessus – ces tresses peuvent être suffisantes pour exécuter n’importe quel programme quantique.

Dans le nouveau travail, les auteurs ont montré que le tressage peut être réalisé presque instantanément. Finis les schémas noués, remplacés par des réarrangements in situ du réseau.

«C’était une sorte de dogme de manuel selon lequel ces tresses ne peuvent être faites que de manière adiabatique ou très lente afin d’éviter de créer des erreurs dans le processus», explique Guanyu Zhu, ancien chercheur postdoctoral JQI qui est actuellement membre du personnel de recherche à l’IBM Thomas Centre de recherche J. Watson. « Cependant, dans ce travail, nous avons réalisé qu’au lieu de déplacer lentement des régions avec des personnes les unes autour des autres, nous pouvions simplement étirer ou réduire l’espace entre elles en un nombre constant d’étapes. »

La nouvelle recette nécessite deux ingrédients. La première est la possibilité de faire des modifications locales qui reconfigurent les interactions entre les qubits physiques qui composent le réseau. Cette partie n’est pas trop différente de ce que nécessite un tressage ordinaire, mais on suppose qu’elle se produit en parallèle dans la région à tresser. Le deuxième ingrédient est la possibilité de permuter les informations sur les qubits physiques qui ne sont pas proches les uns des autres, potentiellement même aux coins opposés de la région de tressage.

Cette deuxième exigence est une grande demande pour du matériel informatique quantique, mais les auteurs disent qu’il existe des systèmes qui pourraient naturellement le supporter.

«Une variété de plates-formes expérimentales avec une connectivité à longue portée pourrait prendre en charge notre schéma, y ​​compris des pièges à ions, des systèmes de circuit QED avec de longs résonateurs de ligne de transmission, des architectures modulaires avec des cavités supraconductrices et des dispositifs photoniques au silicium», déclare Zhu. « Ou vous pouvez imaginer utiliser des plates-formes avec des qubits mobiles. On peut penser à des plates-formes telles que des ordinateurs quantiques fluides, où les qubits peuvent circuler librement via un mouvement classique. »

Dans le papier dans Lettres d’examen physique, les auteurs ont fourni des instructions explicites sur la façon de réaliser leurs tresses instantanées dans une classe particulière de codes quantiques topologiques. dans le Examen physique B et Quantum papiers, ils ont étendu ce résultat à un paramètre plus général et ont même examiné comment il s’appliquerait à un code topologique dans un espace hyperbolique (où, en outre, l’ajout d’un nouveau qubit maculé nécessite d’ajouter seulement un nombre constant de qubits physiques au réseau).

Les auteurs n’ont pas encore déterminé comment leurs nouvelles techniques de tressage s’harmoniseront avec les objectifs supplémentaires de détection et de correction des erreurs; cela reste un problème ouvert pour les recherches futures.

«Nous espérons que nos résultats pourront finalement être utiles pour établir la possibilité d’un calcul quantique tolérant aux pannes avec une surcharge d’espace-temps constante», déclare Barkeshli.


Des chercheurs quantiques créent un chat correcteur d’erreurs


Plus d’information:
Guanyu Zhu et coll. Portes logiques universelles sur Qubits codés topologiquement via des circuits unitaires à profondeur constante, Lettres d’examen physique (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.050502
Guanyu Zhu et coll. Tresses instantanées et torsions de Dehn dans des états topologiquement ordonnés, Examen physique B (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevB.102.075105

Ali Lavasani et coll. Portes logiques universelles à surdébit constant: torsions de Dehn instantanées pour les codes quantiques hyperboliques, Quantum (2019). DOI: 10.22331 / q-2019-08-26-180

Citation: Les ordinateurs quantiques font la torsion (instantanée) (2020, 21 août) récupéré le 21 août 2020 sur https://phys.org/news/2020-08-quantum-instantaneous.html

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