Le matériel révolutionnaire dévoile un nouveau modèle de calcul quantique.

15 août 2023

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par le Los Alamos National Laboratory

Une approche théorique potentiellement révolutionnaire du matériel informatique quantique évite une grande partie de la complexité problématique rencontrée dans les ordinateurs quantiques actuels. La stratégie met en œuvre un algorithme dans les interactions quantiques naturelles pour traiter une variété de problèmes du monde réel plus rapidement que les ordinateurs classiques ou les ordinateurs quantiques conventionnels à porte.

«Notre découverte élimine de nombreuses exigences difficiles pour le matériel quantique», a déclaré Nikolai Sinitsyn, physicien théoricien au laboratoire national de Los Alamos. Il est co-auteur d'un article sur l'approche dans la revue Physical Review A. "Les systèmes naturels, tels que les spins électroniques des défauts du diamant, ont précisément le type d'interactions nécessaires à notre processus de calcul."

Sinitsyn a déclaré que l'équipe espère collaborer avec des physiciens expérimentaux également à Los Alamos pour démontrer leur approche utilisant des atomes ultrafroids. Les technologies modernes dans les atomes ultra-froids sont suffisamment avancées pour démontrer de tels calculs avec environ 40 à 60 qubits, a-t-il dit, ce qui est suffisant pour résoudre de nombreux problèmes actuellement inaccessibles par le calcul classique ou binaire. Un qubit est l'unité de base de l'information quantique, analogue à un bit dans l'informatique classique familière.

Au lieu de mettre en place un système complexe de portes logiques parmi un certain nombre de qubits qui doivent tous partager l'intrication quantique, la nouvelle stratégie utilise un simple champ magnétique pour faire tourner les qubits, tels que les spins des électrons, dans un système naturel. L'évolution précise des états de spin est tout ce qui est nécessaire pour mettre en œuvre l'algorithme. Sinitsyn a déclaré que l'approche pourrait être utilisée pour résoudre de nombreux problèmes pratiques proposés pour les ordinateurs quantiques.

L'informatique quantique reste un domaine naissant handicapé par la difficulté de connecter des qubits dans de longues chaînes de portes logiques et de maintenir l'intrication quantique nécessaire au calcul. L'intrication se décompose dans un processus connu sous le nom de décohérence, lorsque les qubits intriqués commencent à interagir avec le monde en dehors du système quantique de l'ordinateur, introduisant des erreurs. Cela se produit rapidement, limitant le temps de calcul. La véritable correction d'erreur n'a pas encore été implémentée sur le matériel quantique.

La nouvelle approche repose sur un enchevêtrement naturel plutôt qu'induit, de sorte qu'elle nécessite moins de connexions entre les qubits. Cela réduit l'impact de la décohérence. Ainsi, les qubits vivent relativement longtemps, a déclaré Sinitsyn.

L'article théorique de l'équipe de Los Alamos a montré comment l'approche pouvait résoudre un problème de partitionnement de nombres en utilisant l'algorithme de Grover plus rapidement que les ordinateurs quantiques existants. En tant que l'un des algorithmes quantiques les plus connus, il permet des recherches non structurées dans de grands ensembles de données qui engloutissent les ressources informatiques conventionnelles.

Par exemple, a déclaré Sinitsyn, l'algorithme de Grover peut être utilisé pour répartir le temps d'exécution des tâches de manière égale entre deux ordinateurs, de sorte qu'ils se terminent en même temps, ainsi que d'autres tâches pratiques. L'algorithme est bien adapté aux ordinateurs quantiques idéalisés et corrigés des erreurs, bien qu'il soit difficile à mettre en œuvre sur les machines sujettes aux erreurs d'aujourd'hui.

Les ordinateurs quantiques sont conçus pour effectuer des calculs beaucoup plus rapidement que n'importe quel appareil classique, mais ils ont été extrêmement difficiles à réaliser jusqu'à présent, a déclaré Sinitsyn. Un ordinateur quantique conventionnel implémente des circuits quantiques - des séquences d'opérations élémentaires avec différentes paires de qubits.

Les théoriciens de Los Alamos ont proposé une alternative intrigante.

«Nous avons remarqué que pour de nombreux problèmes de calcul célèbres, il suffit d'avoir un système quantique avec des interactions élémentaires, dans lequel un seul spin quantique, réalisable avec deux qubits, interagit avec le reste des qubits de calcul», a déclaré Sinitsyn. "Ensuite, une seule impulsion magnétique qui agit uniquement sur le spin central met en œuvre la partie la plus complexe de l'algorithme quantique de Grover." Appelée l'oracle de Grover, cette opération quantique indique la solution souhaitée.

«Aucune interaction directe entre les qubits de calcul et aucune interaction dépendante du temps avec le spin central ne sont nécessaires dans le processus», a-t-il déclaré. Une fois que les couplages statiques entre le spin central et les qubits sont définis, l'ensemble du calcul consiste uniquement à appliquer de simples impulsions de champ externe dépendant du temps qui font tourner les spins, a-t-il déclaré.

Surtout, l'équipe a prouvé que de telles opérations peuvent être effectuées rapidement. L'équipe a également découvert que leur approche est topologiquement protégée. C'est-à-dire qu'il est robuste contre de nombreuses erreurs dans la précision des champs de contrôle et d'autres paramètres physiques même sans correction d'erreur quantique.

Informations sur le journal : Examen physique A

Fourni par le laboratoire national de Los Alamos