Dans l’informatique classique, la correction d’erreur est effectuée en copiant simplement les informations d’un seul chiffre ou bit binaire afin de savoir clairement quand et où cela a échoué. Par exemple, un seul bit de 0 peut être copié trois fois pour lire 000. Lorsqu’il lit soudainement 001, il est clair où se trouve l’erreur et elle peut être corrigée. Une limitation fondamentale de la mécanique quantique est que les informations ne peuvent pas être copiées, ce qui rend difficile la correction des erreurs.
La solution de contournement mise en œuvre par les chercheurs crée une sorte de système de sauvegarde pour les atomes et leurs informations appelé code de correction d’erreur quantique. Les chercheurs utilisent leur nouvelle technique pour créer bon nombre de ces codes de correction, y compris ce qu’on appelle un code torique, et les répartir dans tout le système.
« L’idée clé est que nous voulons prendre un seul qubit d’informations et le diffuser aussi non localement que possible sur de nombreux qubits, de sorte que si l’un de ces qubits tombe en panne, cela n’affecte pas autant l’état entier », a déclaré Dolev. Bluvstein, un étudiant diplômé du département de physique du groupe Lukin qui a dirigé ce travail.
Ce qui rend cette approche possible, c’est que l’équipe a développé une nouvelle méthode où n’importe quel qubit peut se connecter à n’importe quel autre qubit à la demande. Cela se produit par enchevêtrement ou ce qu’Einstein appelait «une action effrayante à distance». Dans ce contexte, deux atomes deviennent liés et capables d’échanger des informations quelle que soit leur distance. Ce phénomène est ce qui rend les ordinateurs quantiques si puissants.
« Cet enchevêtrement peut stocker et traiter une quantité exponentielle d’informations », a déclaré Bluvstein.
Le nouveau travail s’appuie sur le simulateur quantique programmable que le laboratoire développe depuis 2017. Les chercheurs y ont ajouté de nouvelles capacités pour leur permettre de déplacer des atomes intriqués sans perdre leur état quantique et pendant qu’ils fonctionnent.
Des recherches antérieures sur les systèmes quantiques ont montré qu’une fois le processus de calcul démarré, les atomes, ou qubits, sont bloqués dans leurs positions et n’interagissent qu’avec les qubits à proximité, limitant les types de calculs et de simulations quantiques qui peuvent être effectués entre eux.
La clé est que les chercheurs peuvent créer et stocker des informations dans ce que l’on appelle des qubits hyperfins. L’état quantique de ces qubits plus robustes dure beaucoup plus longtemps que les qubits ordinaires de leur système (plusieurs secondes contre quelques microsecondes). Cela leur donne le temps dont ils ont besoin pour les emmêler avec d’autres qubits, même lointains, afin qu’ils puissent créer des états complexes d’atomes intriqués.
L’ensemble du processus ressemble à ceci : les chercheurs effectuent un appariement initial de qubits, puisent un laser global à partir de leur système pour créer une porte quantique qui enchevêtre ces paires, puis stocke les informations de la paire dans les qubits hyperfins. Ensuite, à l’aide d’un réseau bidimensionnel de faisceaux laser focalisés individuellement appelés pincettes optiques, ils déplacent ces qubits dans de nouvelles paires avec d’autres atomes du système pour les emmêler également. Ils répètent les étapes selon le modèle qu’ils souhaitent créer différents types de circuits quantiques pour exécuter différents algorithmes. Finalement, les atomes deviennent tous connectés dans un soi-disant état de cluster et sont suffisamment dispersés pour servir de sauvegardes les uns pour les autres en cas d’erreur.
Déjà, Bluvstein et ses collègues ont utilisé cette architecture pour générer un ordinateur quantique programmable et correcteur d’erreurs fonctionnant à 24 qubits, et ils prévoient d’évoluer à partir de là. Le système est devenu la base de leur vision d’un processeur quantique.
« À très court terme, nous pouvons essentiellement commencer à utiliser cette nouvelle méthode comme une sorte de bac à sable où nous commencerons vraiment à développer des méthodes pratiques pour la correction des erreurs et à explorer les algorithmes quantiques », a déclaré Lukin. « Tout de suite [in terms of getting to large-scale, useful quantum computers]je dirais que nous avons suffisamment escaladé la montagne pour voir où se trouve le sommet et que nous pouvons maintenant voir un chemin d’où nous sommes jusqu’au plus haut sommet.
Ce travail a été soutenu par le Center for Ultracold Atoms, la National Science Foundation, la Vannevar Bush Faculty Fellowship, l’US Department of Energy Quantum Systems Accelerator, l’Office of Naval Research, l’Army Research Office MURI et le programme DARPA ONISQ.