Nouvelle avancée dans l’atténuation des erreurs pour les ordinateurs quantiques

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La mise en œuvre réussie d’algorithmes sur les processeurs quantiques repose sur le contrôle précis des bits quantiques (qubits) pour effectuer des opérations de porte logique. Alors que les bits classiques peuvent être 0 ou 1, les qubits se trouvent dans un espace d’état continu, ce qui les rend sensibles aux imperfections de leurs signaux de commande analogiques. Cela conduit à une forme d’erreur cohérente qui n’a pas d’analogue classique, plaçant des limites à l’échelle des calculs quantiques fiables. Une nouvelle étude montre qu’en convertissant ces erreurs cohérentes en bruit stochastique, on peut améliorer les performances des algorithmes quantiques.


Des chercheurs de l’Advanced Quantum Testbed (AQT) du Lawrence Berkeley National Laboratory ont démontré qu’une méthode expérimentale connue sous le nom de compilation aléatoire (RC) peut réduire considérablement les taux d’erreur dans les algorithmes quantiques et conduire à des calculs quantiques plus précis et plus stables. Plus qu’un simple concept théorique pour l’informatique quantique, les résultats expérimentaux  révolutionnaires de l’équipe multidisciplinaire sont publiés dans Physical Review X.

Les expériences à l’AQT ont été réalisées sur un processeur quantique supraconducteur à quatre qubits. Les chercheurs ont démontré que la RC peut supprimer l’un des types d’erreurs les plus graves dans les ordinateurs quantiques: les erreurs cohérentes. Akel Hashim, chercheur à l’AQT, impliqué dans la percée expérimentale et étudiant diplômé à l’Université de Californie, a expliqué Berkeley: “Nous pouvons effectuer des calculs quantiques à l’ère de l’informatique quantique bruyante à échelle intermédiaire (NISQ), mais ceux-ci sont très bruyants, sujets à des erreurs provenant de nombreuses sources différentes et ne durent pas très longtemps en raison de la décohérence, c’est-à-dire la perte d’informations de nos qubits”. Les erreurs cohérentes n’ont pas d’analogue de calcul classique. Ces types d’erreurs sont systématiques et résultent d’un contrôle imparfait des qubits sur un processeur quantique, et peuvent interférer de manière constructive ou destructive lors d’un algorithme quantique. De ce fait, il est extrêmement difficile de prédire leur impact final sur les performances d’un algorithme.

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Bien qu’en théorie, les erreurs cohérentes puissent être corrigées ou évitées grâce à un contrôle analogique parfait, elles ont tendance à s’aggraver à mesure que davantage de qubits sont ajoutés à un processeur quantique en raison de la «diaphonie» entre les signaux destinés à contrôler les qubits voisins. Conceptualisé pour la première fois en 2016, le protocole RC n’essaie pas de corriger ou de corriger les erreurs cohérentes. Au lieu de cela, RC atténue le problème en randomisant la direction dans laquelle les erreurs cohérentes ont un impact sur les qubits, de sorte qu’elles se comportent comme s’il s’agissait d’une forme de bruit stochastique. RC atteint cet objectif en créant, mesurant et combinant les résultats de nombreux circuits quantiques logiquement équivalents, faisant ainsi la moyenne de l’impact que les erreurs cohérentes peuvent avoir sur un seul circuit quantique.

“Nous savons qu’en moyenne, le bruit stochastique se produira systématiquement au même taux d’erreur moyen, nous pouvons donc prédire de manière fiable quels seront les résultats à partir des taux d’erreur moyens. Le bruit stochastique n’aura jamais un impact plus important sur notre système que le taux d’erreur moyen – ce qui n’est pas vrai pour les erreurs cohérentes, dont l’impact sur les performances de l’algorithme peut être pire que ce que leurs taux d’erreur moyens suggèrent”. Hashim a utilisé l’analogie du rapport signal sur bruit en astronomie pour comparer l’impact des erreurs cohérentes par rapport au bruit stochastique en informatique quantique. Plus un télescope fonctionne longtemps, plus le signal croîtra par rapport au bruit, car le signal se construira de manière cohérente sur lui-même, tandis que le bruit – étant incohérent et non corrélé – croîtra beaucoup plus lentement.

Les erreurs cohérentes dans les algorithmes quantiques peuvent s’accumuler par le biais d’interférences constructives et se développer souvent plus rapidement que le bruit stochastique. Cependant, la démonstration expérimentale de RC a montré que les erreurs cohérentes dans les algorithmes quantiques peuvent être contrôlées pour croître à un rythme beaucoup plus lent. L’équipe de l’AQT a collaboré étroitement avec les créateurs originaux du protocole, Joseph Emerson et Joel Wallman, qui ont cofondé la société Quantum Benchmark, Inc. (récemment acquise par Keysight Technologies) pour s’attaquer au problème de l’analyse comparative et de l’atténuation des erreurs dans les systèmes informatiques quantiques.

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“Ne pas avoir à concevoir nous-mêmes le logiciel pour exécuter le protocole RC nous a finalement fait gagner beaucoup de temps et de ressources et nous a permis de nous concentrer sur le travail expérimental”, a déclaré Hashim. En réunissant des chercheurs et des partenaires de la communauté des sciences de l’information quantique aux États-Unis et dans le monde, l’AQT permet l’exploration et le développement de l’informatique quantique basée sur l’une des technologies de pointe, les circuits supraconducteurs.

“RC est un protocole universel pour l’informatique quantique basée sur des portes, qui est indépendant des modèles d’erreurs et des plates-formes matérielles spécifiques”, a décrit Hashim. “Il existe de nombreuses applications et classes d’algorithmes qui peuvent bénéficier de la RC. Notre recherche collaborative a démontré que RC travaille à améliorer les algorithmes à l’ère NISQ, et nous nous attendons à ce qu’il continue d’être un protocole utile au-delà de NISQ. Il est important d’avoir cette démonstration réussie dans notre boîte à outils à l’AQT. Nous pouvons maintenant le déployer sur d’autres projets utilisateurs de banc d’essai”.

Voir la publication

Akel Hashim, Ravi K. Naik, Alexis Morvan, Jean-Loup Ville, Bradley Mitchell, John Mark Kreikebaum, Marc Davis, Ethan Smith, Costin Iancu, Kevin P. O’Brien, Ian Hincks, Joel J. Wallman, Joseph Emerson, and Irfan Siddiqi, “Randomized Compiling for Scalable Quantum Computing on a Noisy Superconducting Quantum Processor”, Phys. Rev. X 11, 041039 – Published 24 November 2021

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